JP7843686B2 - Systems and methods for controlling the motion of spacecraft in a multi-body celestial system - Google Patents
Systems and methods for controlling the motion of spacecraft in a multi-body celestial systemInfo
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Description
本開示は、概して、宇宙機の運動の制御に関し、より詳細には、多物体天体系において、宇宙機の正常動作および異常動作中にキープアウェイ領域への無許可進入を回避しながら、宇宙機の運動を制御するためのシステムおよび方法に関する。 This disclosure relates, in general, to the control of spacecraft motion, and more specifically, to systems and methods for controlling spacecraft motion in a multi-body celestial system while avoiding unauthorized entry into keepaway regions during normal and abnormal spacecraft operation.
宇宙機ランデブーは、その実行中に、2つの宇宙機、すなわちチェイサー宇宙機およびターゲットまたは宇宙ステーションが同じ軌道に到着し、近距離(例えば、視覚的接触内)に接近する、軌道操作の集合である。宇宙機ランデブーは、2つの宇宙機の軌道速度および位置ベクトルの精密な整合を必要とし、それらが軌道ステーション保持を通して一定の距離にとどまることを可能にする。宇宙機ランデブーには、ドッキングまたは停泊、つまり宇宙機同士を物理的に接触させ、宇宙機間にリンクを形成する手順が続く場合もあればそうでない場合もある。さらに、同じ宇宙機ランデブーは、例えば、アステロイドまたは火星の月の1つに着陸するなど、弱い重力場がある場合に、自然物体上の宇宙機「着陸」のために使用されてもよい。自然物体への宇宙機着陸はまた、軌道速度のマッチングと同じであってもよく、ドッキングと類似性を共有する「降下」が続く。 A spacecraft rendezvous is a series of orbital maneuvers in which, during its execution, two spacecraft—a chaser spacecraft and a target or space station—arrive in the same orbit and approach each other at close range (e.g., within visual contact). A spacecraft rendezvous requires precise matching of the orbital velocities and position vectors of the two spacecraft, allowing them to remain within a certain distance through orbital station holding. A spacecraft rendezvous may or may not be followed by docking or patrolling, that is, a procedure that brings the spacecraft into physical contact and forms a link between them. Furthermore, the same spacecraft rendezvous may be used for spacecraft "landing" on natural objects in the presence of a weak gravitational field, such as landing on an asteroid or one of Mars' moons. Spacecraft landings on natural objects may also involve the same orbital velocity matching and are followed by a "descent" that shares similarities with docking.
しかしながら、ターゲットとの宇宙機ランデブーは困難な課題である。宇宙機ランデブーの重要な基準は、安全性の維持、すなわち、部分的なスラスタ故障の場合にチェイサー宇宙機とターゲットとの間の衝突を回避する能力である。部分的なスラスタ故障の場合、チェイサー宇宙機は、ターゲットの近くでその公称アプローチから逸脱し得る。チェイサー宇宙機がターゲットの近くでその公称アプローチから著しく逸脱し、その現在の軌道が受動的に安全でないとき、予め定められた能動的衝突回避操作(CAM)が起動される。しかし、アプローチ軌跡や部分的スラスタ故障の程度によっては、CAMが常に可能とは限らない。 However, spacecraft rendezvous with targets is a challenging task. A critical criterion for spacecraft rendezvous is maintaining safety, specifically the ability to avoid a collision between the chaser spacecraft and the target in the event of a partial thruster failure. In the event of a partial thruster failure, the chaser spacecraft may deviate from its nominal approach near the target. If the chaser spacecraft deviates significantly from its nominal approach near the target and its current trajectory is passively unsafe, a predetermined active collision avoidance maneuver (CAM) is activated. However, depending on the approach trajectory and the extent of the partial thruster failure, a CAM may not always be possible.
さらに、宇宙機運動計画のために、数学モデルを使用して、スラスタの特定のシーケンスが経時的にチェイサー宇宙機に適用されるときの軌道を予測する。しかしながら、実際には、真の宇宙機運動は、数学モデルによって予測される軌道から逸脱し得る。そのような逸脱は、作動ミスマッチ、測定ノイズ、およびモデル化されていない現象を含む、種々の理由によって生じ得る。作動ミスマッチは、スラスタの調整不良、およびチェイサー宇宙機に搭載されたハードウェアの制限から生じる。測定ノイズは、チェイサー宇宙機の位置および速度を含むチェイサー宇宙機の状態に関する不正確な情報をもたらすセンサの感知限界に起因して生じ得る。また、数学モデルの計算および解釈性のために、軌道にわずかな影響を及ぼし得る複雑な現象を除外することが、一般的である。 Furthermore, for spacecraft motion planning, mathematical models are used to predict the trajectory as a specific sequence of thrusters is applied to the Chaser spacecraft over time. However, in reality, the true spacecraft motion may deviate from the trajectory predicted by the mathematical model. Such deviations can occur for a variety of reasons, including operational mismatch, measurement noise, and unmodeled phenomena. Operational mismatch results from poor thruster tuning and limitations of the hardware onboard the Chaser spacecraft. Measurement noise can result from sensor detection limits, which provide inaccurate information about the state of the Chaser spacecraft, including its position and velocity. Also, for the computational and interpretability of the mathematical model, it is common practice to exclude complex phenomena that may have a slight impact on the trajectory.
したがって、作動不良の場合、および作動ミスマッチ、測定ノイズならびに他の不確実性の存在下で、安全なランデブーのためにチェイサー宇宙機の動作を制御する改善された方法が必要とされている。 Therefore, improved methods are needed to control the operation of the Chaser spacecraft for safe rendezvous in the event of malfunction, operational mismatch, measurement noise, and other uncertainties.
いくつかの実施形態の目的は、多物体天体系において、宇宙機の正常動作および異常動作中にキープアウェイ領域への無許可進入を回避しながら、宇宙機の運動を制御するためのシステムおよび方法を提供することである。本明細書で使用するとき、正常動作は、キープアウェイゾーン内のターゲットに向かって移動することを含み、異常動作は、キープアウェイゾーンに入る許可を受信することに失敗することと、宇宙機の少なくとも1つの構成要素の故障とのうちの1つ、または組合せを含む。この問題は、宇宙共同作業におけるさらなる安全性を保証するために、宇宙機運動および多物体天体系を形成する複数の宇宙機のランデブーの要件に由来する。その目的のため、一実施形態の目的は、異常動作を検出すると、キープアウェイゾーンを回避しながら宇宙機を移動させる尤度が高くなるように、キープアウェイ領域に向かう宇宙機の運動を制御することである。 The objective of some embodiments is to provide systems and methods for controlling the motion of a spacecraft in a multi-body celestial system while avoiding unauthorized entry into a keepaway zone during normal and abnormal operation of the spacecraft. As used herein, normal operation includes moving toward a target within a keepaway zone, and abnormal operation includes one or a combination of failure to receive permission to enter a keepaway zone and/or failure of at least one component of the spacecraft. This problem arises from the requirements of spacecraft motion and rendezvous of multiple spacecraft forming a multi-body celestial system, in order to ensure greater safety in space collaboration. For this purpose, the objective of one embodiment is, upon detecting abnormal operation, to control the motion of the spacecraft toward a keepaway zone such that the likelihood of moving the spacecraft while avoiding the keepaway zone is increased.
いくつかの実施形態は、たとえ進入許可が、宇宙機の推進の完全または部分的な失敗を含む任意の理由に基づいて拒否されたとしても、宇宙機をキープアウェイゾーンに不可避的に導く可能性がある、キープアウェイゾーンに近い宇宙機の状態が存在する、という認識に基づく。本明細書で使用される場合、宇宙機の状態は、宇宙機の位置と、宇宙機の速度および加速度の少なくとも1つまたは組み合わせとを含む。さらに、慣性および重力などの、宇宙機の運動中に宇宙機に作用する内力および外力は、宇宙機が行い得るいかなる努力にもかかわらず、宇宙機の状態を、宇宙機をキープアウェイゾーンに導き得る特定の状態に変化させ得る。 Some embodiments are based on the recognition that there exists a spacecraft state close to the keepaway zone that could inevitably lead the spacecraft into the keepaway zone, even if access permission is denied for any reason, including complete or partial failure of the spacecraft's propulsion. As used herein, the spacecraft state includes the spacecraft's position and at least one or a combination of its velocity and acceleration. Furthermore, internal and external forces acting on the spacecraft during its motion, such as inertia and gravity, can change the spacecraft state to a specific state that could lead the spacecraft into the keepaway zone, despite any efforts the spacecraft may make.
いくつかの実施形態は、宇宙機がその中にあるべき宇宙機の状態の値の制御不変集合を使用することによって、この問題に対処することができる、という認識に基づく。本明細書で使用される場合、制御不変集合は、宇宙機の状態が制御不変集合内にあるとき、宇宙機に作用する内力および外力にもかかわらず、制御不変集合内に宇宙機の状態を維持する制御法則によって生成される制御コマンドが存在するように、決定される。このように、宇宙機が制御不変集合内にある場合、宇宙機がキープアウェイゾーンに入らないように、指定された制御限界内の制御法則が存在する。 Some embodiments are based on the recognition that this problem can be addressed by using a control-invariant set of values for the spacecraft's state in which it should be. As used herein, the control-invariant set is determined such that, when the spacecraft's state is within the control-invariant set, there exist control commands generated by control laws that maintain the spacecraft's state within the control-invariant set, despite internal and external forces acting on the spacecraft. Thus, when the spacecraft is within the control-invariant set, there exist control laws within specified control limits that prevent the spacecraft from entering the keepaway zone.
制御不変集合は制御限界に依存するので、いくつかの実施形態は、宇宙機の状態の値の複数の制御不変集合の和集合を形成する複数の制御不変集合を決定する。複数の制御不変集合の和集合は、キープアウェイゾーンを部分的に囲んでもよい。いくつかの他の実施形態では、複数の制御不変集合の和集合は、キープアウェイゾーンを完全に囲んでもよい。さらに、異常動作の場合に宇宙機の運動を制御するために、各制御不変集合は、異常に関連付けられる作動限界を考慮し、宇宙機の運動を安全にアボートする異常制御法則が存在するように決定される。 Since control invariants depend on control limits, some embodiments determine multiple control invariants that form a union of multiple control invariants of values for the spacecraft's state. The union of multiple control invariants may partially enclose the keepaway zone. In some other embodiments, the union of multiple control invariants may completely enclose the keepaway zone. Furthermore, to control the spacecraft's motion in the event of abnormal operation, each control invariant is determined such that an abnormal control law exists that safely aborts the spacecraft's motion, taking into account the operating limits associated with the abnormality.
いくつかの実施形態は、制御不変集合を、オンラインで、すなわち、宇宙機のリアルタイム制御中に計算することは、計算的に高価である、という認識に基づく。この問題を軽減するために、制御不変集合および対応するアボート制御法則がオフラインで、すなわち事前に決定される。具体的には、アボート制御法則は、アボート制御コマンドを生成するために、対応する制御不変集合に対して、共同して、および相互依存的に決定される。オフラインで決定された制御不変集合および対応するアボート法則は、宇宙機の運動を制御するために使用されるコントローラに記憶されてもよい。 Some embodiments are based on the recognition that calculating the control invariant set online, i.e., during real-time control of the spacecraft, is computationally expensive. To mitigate this problem, the control invariant set and the corresponding abort control laws are determined offline, i.e., in advance. Specifically, the abort control laws are determined jointly and interdependently with respect to the corresponding control invariant set in order to generate abort control commands. The control invariant set and the corresponding abort laws determined offline may be stored in the controller used to control the motion of the spacecraft.
そのために、異常動作中の宇宙機のオンライン制御中に、コントローラは、宇宙機の現在の状態を受信する。さらに、プロセッサは、宇宙機の現在の状態を含む制御不変集合を選択する。さらに、コントローラは、選択された制御不変集合に対応するアボート制御法則を実行する。したがって、異常動作が検出される異なる状態において、コントローラは、異なる予め定められたアボート制御法則を使用してもよく、それによって、計算負荷を低減し、異常動作が検出されたときの反応のレイテンシを低減する。 To this end, during online control of a spacecraft experiencing abnormal operation, the controller receives the spacecraft's current state. Furthermore, the processor selects a set of control invariants that includes the spacecraft's current state. The controller then executes abort control laws corresponding to the selected set of control invariants. Therefore, in different states where abnormal operation is detected, the controller may use different predetermined abort control laws, thereby reducing the computational load and the latency of the response when abnormal operation is detected.
いくつかの実施形態は、宇宙機の運動は非有界確率論的不確実性の影響を受ける、という認識に基づく。非有界確率論的不確実性は、プロセスノイズの確率的分布を含む。プロセスノイズは、宇宙機の運動の作動ミスマッチおよび/またはモデル化されていないダイナミクスを規定し得る。プロセスノイズに加えて、非有界確率論的不確実性は、宇宙機の状態の推定の測定ノイズの確率的分布を含み得る。宇宙機の運動は、非有界確率論的不確実性の影響を受けるので、非有界確率論的不確実性を考慮して、所定の安全尤度で、宇宙機のキープアウェイゾーンへの無許可進入を回避する必要性がある。 Some embodiments are based on the recognition that spacecraft motion is affected by unbounded probabilistic uncertainty. Unbounded probabilistic uncertainty includes a probabilistic distribution of process noise. Process noise can define operational mismatches and/or unmodeled dynamics of spacecraft motion. In addition to process noise, unbounded probabilistic uncertainty may include a probabilistic distribution of measurement noise in the estimation of the spacecraft state. Because spacecraft motion is affected by unbounded probabilistic uncertainty, it is necessary to consider this uncertainty and avoid unauthorized entry of the spacecraft into the keepaway zone at a given safety likelihood.
いくつかの実施形態は、所定の安全尤度で宇宙機の運動を制御することが可能であるという理解に基づいている。例えば、非有界確率論的不確実性の下で運動を実施する異なる方法は、機会制約、粒子フィルタリング、シナリオ最適化、および確率論的チューブ法を含む。そのために、宇宙機の運動を、複数の制御不変集合の和集合内において、所定の安全尤度で制御することが可能である、と仮定してもよい。しかしながら、そのような仮定は、各制御不変集合が決定論的に、すなわち、非有界確率論的不確実性なしに決定されるという概念に基づく。しかしながら、そのような仮定は、宇宙機のオンライン制御中に宇宙機の運動に何らかの不確実性がある場合、制御不変集合の計算中に同じまたは同様の不確実性が存在するため、不正確であり得る。 Some embodiments are based on the understanding that it is possible to control the motion of a spacecraft with a given safety likelihood. For example, different methods for implementing motion under unbounded probabilistic uncertainty include opportunity constraints, particle filtering, scenario optimization, and probabilistic tube methods. For this purpose, it may be assumed that the motion of a spacecraft can be controlled with a given safety likelihood within the union of multiple control invariant sets. However, such an assumption is based on the concept that each control invariant set is determined deterministically, i.e., without unbounded probabilistic uncertainty. However, such an assumption can be inaccurate because if there is some uncertainty in the motion of the spacecraft during online control, the same or similar uncertainty exists in the computation of the control invariant sets.
そのために、いくつかの実施形態は、非有界確率論的不確実性の下で制御不変性を保証するために、各制御不変集合は宇宙機の状態の値を内部近似すべきである、という認識に基づく。さらに、そのような保証は、所定の安全尤度よりも大きい、非有界確率論的不確実性の尤度を伴うべきである。これは、運動制御の最終的な確率論的保証が、非有界確率論的不確実性の下での制御不変性の尤度と、制御不変集合から導出される制約を満たす運動の尤度との積の関数であるためである。非有界確率論的不確実性のために、これらの尤度のすべては1未満であり、したがって、所定の安全尤度を保証するために一緒に考慮される必要がある。 To this end, some embodiments are based on the understanding that, in order to guarantee control invariance under unbounded probabilistic uncertainty, each control invariant set should internally approximate the values of the spacecraft's state. Furthermore, such a guarantee should be accompanied by a likelihood of unbounded probabilistic uncertainty that is greater than a given safety likelihood. This is because the final probabilistic guarantee of motion control is a function of the product of the likelihood of control invariance under unbounded probabilistic uncertainty and the likelihood of motion satisfying the constraints derived from the control invariant sets. Due to unbounded probabilistic uncertainty, all of these likelihoods are less than 1 and therefore must be considered together to guarantee a given safety likelihood.
したがって、各制御不変集合は、宇宙機の状態の値を内部近似して、非有界確率論的不確実性の第1の尤度が所定の安全尤度よりも大きい状態で、制御不変性を保証する。制御法則は、宇宙機の状態を制御不変集合の和集合内において第2の尤度で維持する制御コマンドを生成するよう構成され、第2の尤度は、第1の尤度と第2の尤度との積が所定の安全尤度以上であるように選択される。 Therefore, each control invariant set internally approximates the value of the spacecraft's state, guaranteeing control invariance if the first likelihood of unbounded probabilistic uncertainty is greater than a predetermined safety likelihood. The control laws are constructed to generate control commands that maintain the spacecraft's state within the union of control invariant sets with a second likelihood, where the second likelihood is selected such that the product of the first and second likelihoods is greater than or equal to a predetermined safety likelihood.
いくつかの実施形態は、様々な技術を使用して、非有界確率論的不確実性の下で宇宙機のダイナミクスに対する制御不変集合を計算する。例えば、一実施形態は、確率論的可到達集合を使用して、制御不変集合を決定する。この実施形態は、中に留まる制御不変集合が凸状である場合に有利であるが、不確実性が裾部分の厚い確率密度を有する場合には準最適であり得る。不確実性が裾部分の厚い確率密度を有する場合、制御不変集合の計算のための推定される不確実性範囲はより大きくなり、計算された制御不変集合の量の著しい減少につながる。制御不変集合は、正常動作に許容される状態を制限するので、大きな制御不変集合を有することが望ましい。対象の問題に関して、不確実性は、ガウス不確実性であるため、裾部分が薄い。 Several embodiments use various techniques to compute a set of control invariants for the dynamics of a spacecraft under unbounded probabilistic uncertainty. For example, one embodiment uses a probabilistically reachable set to determine the set of control invariants. This embodiment is advantageous when the set of control invariants to remain within is convex, but may be suboptimal when the uncertainty has a probability density with thick tails. When the uncertainty has a probability density with thick tails, the estimated range of uncertainty for the computation of the set of control invariants becomes larger, leading to a significant decrease in the amount of the calculated set of control invariants. Since the set of control invariants restricts the states allowed for normal operation, it is desirable to have a large set of control invariants. With respect to the problem in question, the uncertainty is Gaussian uncertainty, and therefore has thin tails.
追加的または代替的に、制御不変集合は、ロバスト被制御不変集合を活用することによって計算することができる。ロバスト被制御不変集合は、有界の非確率論的不確実性にもかかわらず安全性を維持することができる状態の集合を決定する。様々な計算アルゴリズムが、ロバスト被制御不変集合を計算するために使用され得る。しかしながら、これらのアルゴリズムは、プロセスおよび/または測定ノイズの確率的分布を含む、非有界確率論的不確実性の存在を伴う問題に直接適用可能ではない。これは、計算アルゴリズムが、有界の決定論的不確実性の存在を伴う問題に適用可能であるためである。 Additionally or alternatively, the controlled invariant set can be computed by leveraging the robust uncontrolled invariant set. The robust uncontrolled invariant set determines the set of states that can maintain safety despite bounded, unprobabilistic uncertainty. Various computational algorithms can be used to compute the robust uncontrolled invariant set. However, these algorithms are not directly applicable to problems involving the presence of unbounded probabilistic uncertainty, such as those involving the probabilistic distribution of process and/or measurement noise. This is because the computational algorithms are applicable to problems involving bounded, deterministic uncertainty.
この問題を軽減するために、非有界確率論的不確実性は、非有界確率論的不確実性上で、ある値の範囲を指定する、事前定義された尤度を有する、有限の決定論的不確実性に変換される。そのために、計算アルゴリズムを使用して、ロバスト被制御不変集合を計算することができる。さらに、計算されたロバスト被制御不変集合に基づいて、制御不変集合を決定することができる。 To mitigate this problem, unbounded probabilistic uncertainty is transformed into a finite deterministic uncertainty with a predefined likelihood that specifies a range of values. For this purpose, a robust uncontrolled invariant set can be computed using a computational algorithm. Furthermore, the controlled invariant set can be determined based on the computed robust uncontrolled invariant set.
したがって、一実施形態は、多物体天体系において、宇宙機の正常動作および異常動作中にキープアウェイゾーンへの無許可進入を回避しながら、宇宙機の運動を制御するためのコントローラを開示し、正常動作は、キープアウェイゾーンに向かって移動することを含み、異常動作は、キープアウェイゾーンに入る許可を受信することに失敗することと、宇宙機の少なくとも1つの構成要素の故障とのうちの1つまたは組合せを含む。コントローラは、少なくとも1つのプロセッサと、命令を格納したメモリとを備え、命令は、少なくとも1つのプロセッサによって実行されると、コントローラに、宇宙機の正常動作中に、宇宙機の状態を、キープアウェイゾーンを部分的または完全に囲む宇宙機の状態の値の複数の制御不変集合の和集合内に維持することに対する制約を受ける公称制御法則を実行させ、宇宙機の状態は、宇宙機の位置と、宇宙機の速度および加速度の少なくとも1つまたは組み合わせとを含み、複数の制御不変集合の各々は、宇宙機の状態が制御不変集合内にあるときに、宇宙機に作用する内力および外力にもかかわらず、宇宙機の状態を制御不変集合内に維持する、公称制御法則によって生成される制御コマンドが存在するように、決定され、命令は、さらに、少なくとも1つのプロセッサによって実行されると、コントローラに、宇宙機の異常動作を検出すると、宇宙機の現在の状態を含む制御不変集合に関連付けられるアボート制御法則を実行させ、少なくともいくつかの異なるアボート制御法則が、少なくともいくつかの異なる制御不変集合に関連付けられ、アボート制御法則は、対応する制御不変集合について、対応する制御不変集合内で任意の状態についてキープアウェイゾーンを回避しながら宇宙機を移動させるアボート制御コマンドを生成するよう、共同して、および相互依存的に、決定される。 Therefore, one embodiment discloses a controller for controlling the motion of a spacecraft in a multi-body celestial system while avoiding unauthorized entry into a keepaway zone during normal and abnormal operation of the spacecraft, where normal operation includes moving toward the keepaway zone, and abnormal operation includes one or a combination of failure to receive permission to enter the keepaway zone and failure of at least one component of the spacecraft. The controller comprises at least one processor and a memory storing instructions, which, when executed by at least one processor, cause the controller to execute nominal control laws that, during normal operation of the spacecraft, are constrained to maintain the state of the spacecraft within a union of multiple control invariant sets of spacecraft state values that partially or completely enclose a keepaway zone, where the state of the spacecraft includes the position of the spacecraft and at least one or a combination of the velocity and acceleration of the spacecraft, each of the multiple control invariant sets being constrained to maintain the state of the spacecraft within the control invariant set despite internal and external forces acting on the spacecraft when the state of the spacecraft is within the control invariant set. The system is determined such that there exist control commands generated by nominal control laws, and the instructions, when executed by at least one processor, cause the controller to detect abnormal behavior of the spacecraft and execute abort control laws associated with a set of control invariants containing the current state of the spacecraft. At least several different abort control laws are associated with at least several different sets of control invariants, and the abort control laws are determined jointly and interdependently to generate abort control commands for the corresponding sets of control invariants, moving the spacecraft while avoiding the keepaway zone for any state within the corresponding set of control invariants.
したがって、別の実施形態は、多物体天体系において、宇宙機の正常動作および異常動作中にキープアウェイゾーンへの無許可進入を回避しながら、宇宙機の運動を制御するための追跡方法を開示し、正常動作は、キープアウェイゾーンに向かって移動することを含み、異常動作は、キープアウェイゾーンに入る許可を受信することに失敗することと、宇宙機の少なくとも1つの構成要素の故障とのうちの1つまたは組合せを含む。本方法は、宇宙機の正常動作中に、宇宙機の状態を、キープアウェイゾーンを部分的または完全に囲む宇宙機の状態の値の複数の制御不変集合の和集合内に維持することに対する制約を受ける公称制御法則を実行することを含み、宇宙機の状態は、宇宙機の位置と、宇宙機の速度および加速度の少なくとも1つまたは組み合わせとを含む。複数の制御不変集合の各々は、宇宙機の状態が制御不変集合内にあるとき、宇宙機に作用する内力および外力にもかかわらず、宇宙機の状態を制御不変集合内に維持する、公称制御法則によって生成される制御コマンドが存在するように、決定される。本方法は、さらに、宇宙機の異常動作を検出すると、宇宙機の現在の状態を含む制御不変集合に関連付けられるアボート制御法則を実行することを含み、少なくともいくつかの異なるアボート制御法則が、少なくともいくつかの異なる制御不変集合に関連付けられ、アボート制御法則は、対応する制御不変集合について、対応する制御不変集合内で任意の状態についてキープアウェイゾーンを回避しながら宇宙機を移動させるアボート制御コマンドを生成するよう、共同して、および相互依存的に、決定される。 Therefore, another embodiment discloses a tracking method for controlling the motion of a spacecraft in a multi-body celestial system while avoiding unauthorized entry into a keepaway zone during normal and abnormal operation of the spacecraft, where normal operation includes moving toward a keepaway zone, and abnormal operation includes one or a combination of failure to receive permission to enter a keepaway zone and failure of at least one component of the spacecraft. The method includes, during normal operation of the spacecraft, executing a nominal control law that is constrained to maintain the state of the spacecraft within a union of multiple control invariant sets of spacecraft state values that partially or completely enclose a keepaway zone, where the state of the spacecraft includes the position of the spacecraft and at least one or a combination of the spacecraft's velocity and acceleration. Each of the multiple control invariant sets is determined such that there exists a control command generated by the nominal control law that maintains the state of the spacecraft within the control invariant set despite internal and external forces acting on the spacecraft when the state of the spacecraft is within the control invariant set. The method further includes, upon detecting abnormal behavior of the spacecraft, executing abort control laws associated with a set of control invariants containing the current state of the spacecraft, wherein at least several different abort control laws are associated with at least several different sets of control invariants, and the abort control laws are determined collaboratively and interdependently to generate abort control commands for the corresponding sets of control invariants, causing the spacecraft to move while avoiding the keepaway zone for any state within the corresponding set of control invariants.
したがって、さらに別の実施形態は、多物体天体系において、宇宙機の正常動作および異常動作中にキープアウェイゾーンへの無許可進入を回避しながら、宇宙機の運動を制御するための方法を実行するためにプロセッサによって実行可能なプログラムを具現化した非一時的コンピュータ可読記憶媒体を開示し、正常動作は、キープアウェイゾーンに向かって移動することを含み、異常動作は、キープアウェイゾーンに入る許可を受信することに失敗することと、宇宙機の少なくとも1つの構成要素の故障とのうちの1つまたは組合せを含む。本方法は、宇宙機の正常動作中に、宇宙機の状態を、キープアウェイゾーンを部分的または完全に囲む宇宙機の状態の値の複数の制御不変集合の和集合内に維持することに対する制約を受ける公称制御法則を実行することを含み、宇宙機の状態は、宇宙機の位置と、宇宙機の速度および加速度の少なくとも1つまたは組み合わせとを含み、複数の制御不変集合の各々は、宇宙機の状態が制御不変集合内にあるときに、宇宙機に作用する内力および外力にもかかわらず、宇宙機の状態を制御不変集合内に維持する、公称制御法則によって生成される制御コマンドが存在するように、決定され、本方法はさらに、宇宙機の異常動作を検出すると、宇宙機の現在の状態を含む制御不変集合に関連付けられるアボート制御法則を実行することを含み、少なくともいくつかの異なるアボート制御法則が、少なくともいくつかの異なる制御不変集合に関連付けられ、アボート制御法則は、対応する制御不変集合について、対応する制御不変集合内で任意の状態についてキープアウェイゾーンを回避しながら宇宙機を移動させるアボート制御コマンドを生成するよう、共同して、および相互依存的に、決定される。 Therefore, yet another embodiment discloses a non-temporary computer-readable storage medium embodying a processor-executable program for performing a method for controlling the motion of a spacecraft in a multi-body celestial system, while avoiding unauthorized entry into a keepaway zone during normal and abnormal operation of the spacecraft, wherein normal operation includes moving toward a keepaway zone, and abnormal operation includes one or a combination of failing to receive permission to enter a keepaway zone and failure of at least one component of the spacecraft. This method involves, during normal operation of a spacecraft, executing nominal control laws constrained by maintaining the spacecraft's state within a union of multiple sets of spacecraft state values that partially or completely enclose a keepaway zone, wherein the spacecraft state includes the spacecraft's position and at least one or a combination of its velocity and acceleration, and each of the multiple sets of control invariants is determined such that, when the spacecraft state is within the set of control invariants, there exists a control command generated by the nominal control law that maintains the spacecraft state within the set of control invariants despite internal and external forces acting on the spacecraft. The method further involves, upon detecting abnormal operation of the spacecraft, executing abort control laws associated with the set of control invariants containing the spacecraft's current state, wherein at least several different abort control laws are associated with at least several different sets of control invariants, and the abort control laws are determined jointly and interdependently to generate abort control commands for the corresponding sets of control invariants that move the spacecraft while avoiding the keepaway zone for any state within the corresponding set of control invariants.
添付の図面を参照して、ここに開示される実施形態についてさらに説明する。示される図面は必ずしも縮尺通りではなく、代わりに、概して、本開示の実施形態の原理を説明することに重点が置かれる。 The embodiments disclosed herein will be further described with reference to the attached drawings. The drawings shown are not necessarily to scale, and instead, the emphasis is generally on illustrating the principles of the embodiments of this disclosure.
詳細な説明
以下の説明では、説明の目的で、本開示の完全な理解を促すために、多数の具体的な詳細が述べられる。しかしながら、本開示は、これらの具体的な詳細なしに実施されてもよいことは、当業者には明白であろう。他の例では、本開示を不明瞭にすることを回避するために、装置および方法がブロック図の形式でのみ示される。
Detailed Description: The following description includes numerous specific details for illustrative purposes to facilitate a full understanding of the disclosure. However, it will be apparent to those skilled in the art that the disclosure may be implemented without these specific details. In other examples, the apparatus and methods are shown only in block diagram form to avoid obscuring the disclosure.
本明細書および特許請求の範囲で用いられる場合、「例えば」、「例として」、「等」、ならびに動詞「備える」、「有する」、「含む」と言う文言、およびそれらの他の動詞形は、1つ以上の構成要素または他の項目のリストとともに用いられる場合、各々オープンエンドと解釈されるべきであり、リストは、他の追加の構成要素または項目を排除するものと見なすべきではないことを意味する。「~に基づく」と言う文言は、少なくとも部分的に基づくことを意味する。さらに、本明細書で使用される表現および用語は、説明の目的のためであり、限定と見なされるべきではないことを理解されたい。この説明内で利用されるいかなる見出しも、便宜上のものにすぎず、法的または限定的な効果を有さない。 Where used herein and in the claims, the words “for example,” “as an example,” “etc.,” and the verbs “equip,” “have,” and “include,” and their other verb forms, when used with a list of one or more components or other items, should each be interpreted as open-ended, meaning that the list should not be considered to exclude any other additional components or items. The phrase “based on” means based at least partially. Furthermore, it should be understood that the expressions and terms used herein are for illustrative purposes only and should not be considered limiting. Any headings used within this description are for convenience only and have no legal or limiting effect.
図1Aは、本開示の一実施形態による、多物体天体系における宇宙機101の運動を示す。宇宙機101は、軌道105を辿ることによってターゲット103とランデブーするよう構成されてもよい。ターゲット103は、宇宙機、天体、国際宇宙ステーション、または軌道デブリであってもよい。説明のために、ターゲット103は国際宇宙ステーションとして示されている。ターゲット103の周囲には、キープアウェイゾーン107が存在する。キープアウェイゾーン107は、宇宙機101が許可なしに進入してはならない領域を指す。追加的にまたは代替的に、キープアウェイゾーン107はキープアウェイ集合に対応し、これは、宇宙機101がその外側に留まらなければならない宇宙機位置および速度を含む状態を収集したものである。 Figure 1A shows the motion of a spacecraft 101 in a multi-body celestial system according to one embodiment of the present disclosure. The spacecraft 101 may be configured to rendezvous with a target 103 by following an orbit 105. The target 103 may be a spacecraft, a celestial body, the International Space Station, or orbital debris. For illustrative purposes, target 103 is shown as the International Space Station. A keepaway zone 107 exists around target 103. The keepaway zone 107 refers to an area that the spacecraft 101 must not enter without permission. Additionally or alternatively, the keepaway zone 107 corresponds to a keepaway set, which is a collection of conditions including the spacecraft position and velocity that the spacecraft 101 must remain outside of.
いくつかの実施形態の目的は、宇宙機101の正常動作および異常動作中にキープアウェイゾーン107への無許可進入を回避しながら、宇宙機101の運動を制御することである。本明細書で使用されるように、正常動作は、宇宙機101がキープアウェイゾーン107に向かって移動することを含む。異常動作は、キープアウェイゾーン107に入る許可の受信に失敗すること、および宇宙機101の少なくとも1つの構成要素、例えばスラスタの故障のうちの1つ、またはそれらの組み合わせを含む。 The objective of some embodiments is to control the motion of the spacecraft 101 while avoiding unauthorized entry into the keepaway zone 107 during normal and abnormal operation of the spacecraft 101. As used herein, normal operation includes the spacecraft 101 moving toward the keepaway zone 107. Abnormal operation includes failure to receive permission to enter the keepaway zone 107 and failure of at least one component of the spacecraft 101, such as a thruster, or a combination thereof.
そのような制御目的を達成するために、いくつかの実施形態は、宇宙機101の正常動作および異常動作中に宇宙機101の運動を制御するためのコントローラを提供する。 To achieve such control objectives, some embodiments provide controllers for controlling the motion of the spacecraft 101 during normal and abnormal operation.
図1Bは、本開示の一実施形態による、宇宙機101の正常動作および異常動作中に宇宙機101の運動を制御するためのコントローラ109のブロック図を示す。コントローラ109は、プロセッサ111およびメモリ113を含む。プロセッサ111は、シングルコアプロセッサ、マルチコアプロセッサ、コンピューティングクラスタ、または任意の数の他の構成であってもよい。メモリ113は、ランダムアクセスメモリ(RAM)、読取り専用メモリ(ROM)、フラッシュメモリ、または任意の他の好適なメモリシステムを含んでもよい。さらに、いくつかの実施形態では、メモリ113は、ハードドライブ、光学ドライブ、サムドライブ、ドライブのアレイ、またはそれらの任意の組合せを使用して実現されてもよい。 Figure 1B shows a block diagram of a controller 109 for controlling the motion of the spacecraft 101 during normal and abnormal operation, according to one embodiment of the present disclosure. The controller 109 includes a processor 111 and memory 113. The processor 111 may be a single-core processor, a multi-core processor, a computing cluster, or any number of other configurations. The memory 113 may include random-access memory (RAM), read-only memory (ROM), flash memory, or any other suitable memory system. Furthermore, in some embodiments, the memory 113 may be implemented using a hard drive, an optical drive, a thumb drive, an array of drives, or any combination thereof.
いくつかの実施形態は、たとえ進入許可が拒否されたとしても、キープアウェイゾーン107の近くで、宇宙機101をキープアウェイゾーン107に不可避的に導く可能性がある、宇宙機101の状態が存在するので、前述の制御目的(すなわち、宇宙機101の正常動作および異常動作中にキープアウェイゾーン107への無許可進入を回避しながら、宇宙機101の運動を制御すること)を達成することは困難である、という認識に基づく。進入許可は、宇宙機101の推進の全体的または部分的な失敗を含む任意の理由に基づいて拒否されてもよい。本明細書で使用される場合、宇宙機101の状態は、宇宙機101の位置と、宇宙機101の速度および加速度の少なくとも1つまたは組み合わせとを含む。加えて、慣性および重力などの、宇宙機101の運動中に宇宙機101に作用する内力および外力は、宇宙機101が行い得るいかなる努力にもかかわらず、宇宙機101の状態を、宇宙機101をキープアウェイゾーン107に導き得る特定の状態に変化させる場合がある。 Some embodiments are based on the recognition that, even if access permission is denied, there are states of the spacecraft 101 near the keepaway zone 107 that could inevitably lead the spacecraft 101 into the keepaway zone 107, making it difficult to achieve the aforementioned control objective (i.e., controlling the motion of the spacecraft 101 while avoiding unauthorized entry into the keepaway zone 107 during normal and abnormal operation of the spacecraft 101). Access permission may be denied for any reason, including a total or partial failure of the spacecraft 101's propulsion. As used herein, the state of the spacecraft 101 includes the position of the spacecraft 101 and at least one or a combination of the spacecraft 101's velocity and acceleration. In addition, internal and external forces acting on the spacecraft 101 during its motion, such as inertia and gravity, may change the state of the spacecraft 101 to a specific state that could lead it into the keepaway zone 107, regardless of any efforts the spacecraft 101 may make.
いくつかの実施形態は、宇宙機101の状態がその内に維持されるべき、宇宙機101の状態の値の複数の制御不変集合の和集合を計算することによって、この問題に対処することができる、という認識に基づく。 Some embodiments are based on the understanding that this problem can be addressed by calculating the union of multiple control-invariant sets of state values for spacecraft 101, within which the state of spacecraft 101 should be maintained.
図1Cは、本開示の一実施形態による、宇宙機101の状態の値の複数の制御不変集合の和集合を示す。制御不変集合115,117,119,および121は、複数の制御不変集合の和集合を形成する。ある実施形態では、複数の制御不変集合の和集合は、キープアウェイゾーン107を部分的に囲んでもよい。いくつかの他の実施形態では、複数の制御不変集合の和集合は、宇宙機101がターゲット103に接近することを可能にするよう、キープアウェイゾーン107を完全に囲んでもよい。各制御不変集合は、宇宙機101の状態が、ある制御不変集合(例えば、制御不変集合121)内にあるとき、宇宙機101に作用する内力および外力にもかかわらず、宇宙機101の状態をその制御不変集合(制御不変集合121)内に維持する、公称制御法則によって生成される制御コマンドが存在するように、決定される。 Figure 1C shows the union of multiple control invariant sets of state values for the spacecraft 101 according to one embodiment of the present disclosure. Control invariant sets 115, 117, 119, and 121 form the union of multiple control invariant sets. In some embodiments, the union of multiple control invariant sets may partially enclose the keepaway zone 107. In some other embodiments, the union of multiple control invariant sets may completely enclose the keepaway zone 107, allowing the spacecraft 101 to approach the target 103. Each control invariant set is determined such that, when the state of the spacecraft 101 is within a certain control invariant set (e.g., control invariant set 121), there exists a control command generated by a nominal control law that maintains the state of the spacecraft 101 within that control invariant set (control invariant set 121), despite internal and external forces acting on the spacecraft 101.
したがって、宇宙機101の正常動作中、宇宙機101の状態が制御不変集合115,117,119,および121のいずれかの範囲内にあるとき、宇宙機101の状態は、宇宙機101が制御不変集合115,117,119,および121のいずれかの範囲内にあり、キープアウェイゾーン107に入らないように、制御される。 Therefore, during normal operation of the spacecraft 101, when the state of the spacecraft 101 is within the range of any of the control invariant sets 115, 117, 119, and 121, the state of the spacecraft 101 is controlled so that it remains within the range of any of the control invariant sets 115, 117, 119, and 121 and does not enter the keepaway zone 107.
さらに、異常動作の場合に宇宙機101の運動を制御するために、各制御不変集合は、アボート制御コマンドを生成するアボート制御法則が存在するように決定される。アボート制御コマンドは、キープアウェイゾーン107を回避しながら、宇宙機101の運動を安全にアボートする。例えば、宇宙機の状態が制御不変集合121内にあり、スラスタ故障(異常動作)がある場合、制御不変集合121に対応するアボート法則は、キープアウェイゾーン107を回避しながら宇宙機101の運動を安全にアボートするアボート制御コマンドを生成する。 Furthermore, in order to control the motion of the spacecraft 101 in the event of abnormal operation, each control invariant set is determined such that there exists an abort control law that generates an abort control command. The abort control command safely aborts the motion of the spacecraft 101 while avoiding the keepaway zone 107. For example, if the state of the spacecraft is within control invariant set 121 and there is a thruster failure (abnormal operation), the abort law corresponding to control invariant set 121 generates an abort control command that safely aborts the motion of the spacecraft 101 while avoiding the keepaway zone 107.
いくつかの実施形態は、制御不変集合115,117,119,および121を、オンラインで、すなわち、宇宙機101のリアルタイム制御中に計算することは、計算的に高価である、という認識に基づく。この問題を軽減するために、制御不変集合115,117,119,および121ならびに対応するアボート制御法則は、オフラインで、すなわち事前に、決定される。具体的には、アボート制御法則は、対応する制御不変集合について、アボート制御コマンドを生成するよう、共同して、および相互依存的に、決定される。オフラインで決定された制御不変集合および対応するアボート法則は、コントローラ109のメモリ113に記憶されてもよい。 Some embodiments are based on the recognition that calculating the control invariant sets 115, 117, 119, and 121 online, i.e., during real-time control of the spacecraft 101, is computationally expensive. To mitigate this problem, the control invariant sets 115, 117, 119, and 121 and their corresponding abort control laws are determined offline, i.e., in advance. Specifically, the abort control laws are determined collaboratively and interdependently to generate abort control commands for the corresponding control invariant sets. The control invariant sets and corresponding abort laws determined offline may be stored in the memory 113 of the controller 109.
そのために、異常動作中の宇宙機101のオンライン制御中に、プロセッサ111は、宇宙機101の現在の状態を受信する。さらに、プロセッサ111は、宇宙機101の現在の状態を含む制御不変集合を選択する。プロセッサ111は、選択された制御不変集合に対応するアボート制御法則を実行する。したがって、異常動作が検出される異なる状態において、コントローラ109は、異なる予め定められたアボート制御法則を使用してもよく、それによって、計算負荷を低減し、異常動作が検出されたときの反応のレイテンシを低減してもよい。 To this end, during online control of the spacecraft 101 while it is malfunctioning, the processor 111 receives the current state of the spacecraft 101. Furthermore, the processor 111 selects a set of control invariants that includes the current state of the spacecraft 101. The processor 111 then executes the abort control law corresponding to the selected set of control invariants. Therefore, in different states where malfunction is detected, the controller 109 may use different predetermined abort control laws, thereby reducing the computational load and the latency of the response when malfunction is detected.
実施形態によれば、コントローラ109は、宇宙機101に埋め込まれてもよい。図2は、本開示の一実施形態による、コントローラ109および他の構成要素を含む宇宙機101のブロック図を示す。宇宙機101は、コントローラ109と、スラスタのセット201と、センサのセット203と、回路205とを含む。プロセッサ111は、公称制御法則およびアボート制御法則によって生成された制御コマンドのシーケンス、すなわち、制御コマンドおよびアボート制御コマンドを、スラスタのセット201に提出してもよい。スラスタのセット201は、公称制御法則およびアボート制御法則によって生成される制御コマンドのシーケンスに従って宇宙機101の状態を変更するよう構成される。一実施形態によれば、スラスタのセット201は、8つのスラスタを含み、各スラスタは、宇宙機101の質量中心と整列する態様で取り付けられ、したがって、スラスタは、宇宙機101を回転させるトルクを生成せずに、宇宙機101の位置を変更する力を生成する。 According to one embodiment, the controller 109 may be embedded in the spacecraft 101. Figure 2 shows a block diagram of the spacecraft 101, including the controller 109 and other components, according to one embodiment of the present disclosure. The spacecraft 101 includes the controller 109, a set of thrusters 201, a set of sensors 203, and a circuit 205. The processor 111 may submit a sequence of control commands, i.e., control commands and abort control commands, generated by nominal and abort control laws to the set of thrusters 201. The set of thrusters 201 is configured to change the state of the spacecraft 101 according to the sequence of control commands generated by nominal and abort control laws. According to one embodiment, the set of thrusters 201 includes eight thrusters, each thruster mounted in a manner aligned with the center of mass of the spacecraft 101, so that the thrusters generate forces that change the position of the spacecraft 101 without generating torque that rotates the spacecraft 101.
センサのセット203は、宇宙機101の状態を示す測定値を生成するよう構成される。宇宙機101の状態を示す測定値は、プロセッサ111に提出される。ある実施形態では、センサのセット203は、宇宙機101の速度を示す測定値を生成するよう構成される速度センサと、宇宙機101の加速度を示す測定値を生成するよう構成される加速度センサとを含んでもよい。回路205は、宇宙機101の異常動作を検出するよう構成される。ある実施形態では、回路205は、スラスタのセット201のオフ状態に基づいて異常動作を検出してもよい。例えば、宇宙機101の故障に起因して、スラスタのセット201のうちの1つ以上のスラスタが、オフ状態になる場合がある。1つ以上のスラスタのオフ状態に基づいて、回路205は、異常動作を検出し、それをプロセッサ111に通信する。 The sensor set 203 is configured to generate measurements indicating the state of the spacecraft 101. These measurements are submitted to the processor 111. In one embodiment, the sensor set 203 may include a velocity sensor configured to generate measurements indicating the velocity of the spacecraft 101 and an accelerometer configured to generate measurements indicating the acceleration of the spacecraft 101. The circuit 205 is configured to detect abnormal operation of the spacecraft 101. In one embodiment, the circuit 205 may detect abnormal operation based on the off state of the thruster set 201. For example, one or more thrusters in the thruster set 201 may be turned off due to a failure in the spacecraft 101. Based on the off state of one or more thrusters, the circuit 205 detects abnormal operation and communicates it to the processor 111.
いくつかの実施形態は、宇宙機101の運動は非有界確率論的不確実性の影響を受ける、という認識に基づく。非有界確率論的不確実性は、プロセスノイズの確率的分布を含む。プロセスノイズは、宇宙機101の運動の作動ミスマッチおよび/またはモデル化されていないダイナミクスを規定し得る。プロセスノイズに加えて、非有界確率論的不確実性は、宇宙機の状態の推定の測定ノイズの確率的分布を含み得る。宇宙機101の運動は、非有界確率論的不確実性の影響を受けるので、非有界確率論的不確実性を考慮して、所定の安全尤度で、宇宙機101がキープアウェイゾーン107に不正に進入することを回避する必要がある。 Some embodiments are based on the understanding that the motion of spacecraft 101 is affected by unbounded probabilistic uncertainty. Unbounded probabilistic uncertainty includes a probabilistic distribution of process noise. Process noise may define operational mismatches and/or unmodeled dynamics of the spacecraft 101's motion. In addition to process noise, unbounded probabilistic uncertainty may include a probabilistic distribution of measurement noise in the estimation of the spacecraft's state. Because the motion of spacecraft 101 is affected by unbounded probabilistic uncertainty, it is necessary to consider this uncertainty and, with a given safety likelihood, prevent the spacecraft 101 from illegally entering the keepaway zone 107.
いくつかの実施形態は、所定の安全尤度で宇宙機101の運動を制御することが可能である、という理解に基づく。例えば、非有界確率論的不確実性の下で運動を実施する異なる方法は、機会制約、粒子フィルタリング、シナリオ最適化、および確率論的チューブ法を含む。そのために、宇宙機101の運動を、複数の制御不変集合の和集合内において、所定の安全尤度で制御することが可能である、と仮定してもよい。しかしながら、そのような仮定は、各制御不変集合が決定論的に、すなわち、非有界確率論的不確実性なしに決定されるという概念に基づく。しかしながら、そのような仮定は、宇宙機101のオンライン制御中に宇宙機101の運動に何らかの不確実性がある場合、制御不変集合の計算中に同じまたは同様の不確実性が存在するため、不正確であり得る。 Some embodiments are based on the understanding that it is possible to control the motion of spacecraft 101 with a predetermined safety likelihood. For example, different methods for implementing motion under unbounded probabilistic uncertainty include opportunity constraints, particle filtering, scenario optimization, and probabilistic tube methods. To this end, it may be assumed that the motion of spacecraft 101 can be controlled with a predetermined safety likelihood within the union of multiple control invariant sets. However, such an assumption is based on the concept that each control invariant set is determined deterministically, i.e., without unbounded probabilistic uncertainty. However, such an assumption can be inaccurate because if there is some uncertainty in the motion of spacecraft 101 during online control of spacecraft 101, the same or similar uncertainty exists in the calculation of the control invariant sets.
そのために、いくつかの実施形態は、非有界確率論的不確実性の下で制御不変性を保証するために、各制御不変集合は宇宙機101の状態の値を内部近似すべきである、という認識に基づく。さらに、そのような保証は、所定の安全尤度よりも大きい、非有界確率論的不確実性の尤度を伴うべきである。これは、運動制御の最終的な確率論的保証が、非有界確率論的不確実性の下での制御不変性の尤度と、制御不変集合から導出される制約を満たす運動の尤度との積の関数であるためである。非有界確率論的不確実性のために、これらの尤度のすべては1未満であり、したがって、所定の安全尤度を保証するために一緒に考慮される必要がある。 Therefore, some embodiments are based on the understanding that, in order to guarantee control invariance under unbounded probabilistic uncertainty, each control invariant set should internally approximate the state values of spacecraft 101. Furthermore, such a guarantee should be accompanied by a likelihood of unbounded probabilistic uncertainty that is greater than a given safety likelihood. This is because the final probabilistic guarantee of motion control is a function of the product of the likelihood of control invariance under unbounded probabilistic uncertainty and the likelihood of motion satisfying the constraints derived from the control invariant sets. Due to unbounded probabilistic uncertainty, all of these likelihoods are less than 1 and therefore must be considered together to guarantee a given safety likelihood.
したがって、各制御不変集合は、宇宙機101の状態の値を内部近似して、非有界確率論的不確実性の第1の尤度が所定の安全尤度よりも大きい状態で、制御不変性を保証する。公称制御法則は、宇宙機101の状態を制御不変集合の和集合内において第2の尤度で維持する制御コマンドを生成するよう構成され、第2の尤度は、第1の尤度と第2の尤度との積が所定の安全尤度以上であるように選択される。 Therefore, each control invariant set internally approximates the state of spacecraft 101, guaranteeing control invariance in the state where the first likelihood of unbounded probabilistic uncertainty is greater than a predetermined safety likelihood. The nominal control law is constructed to generate control commands that maintain the state of spacecraft 101 with a second likelihood within the union of control invariant sets, and the second likelihood is selected such that the product of the first and second likelihoods is greater than or equal to a predetermined safety likelihood.
上記の制御問題は、数学的に以下のように表すことができる。 The control problem described above can be expressed mathematically as follows:
ある実施形態によれば、公称制御法則は、宇宙機101が制御不変集合内に留まり、すべての必要な状態および入力制約が公称制御法則によって満たされることを確実にしながら、宇宙機101をキープアウェイ集合におけるターゲット103に操縦する。そのような制御法則の例は、各時間ステップにおいて以下の最適化問題を解く。 According to one embodiment, the nominal control law steers the spacecraft 101 to target 103 in the keepaway set, while ensuring that the spacecraft 101 remains within the control-invariant set and that all necessary state and input constraints are satisfied by the nominal control law. An example of such a control law solves the following optimization problem at each time step.
制約(1b)は、宇宙機の状態および測定の平均ならびに共分散行列の展開を記述する線形等式制約を収集したものをもたらす。いくつかの実施形態は、宇宙機のダイナミクスの線形性ならびに作動および測定の不確実性のガウス性に起因して、宇宙機101の将来の状態および測定値は、ガウスランダムベクトルとして、それらの平均および共分散の明示的な記述とともに、記述され得る、という認識に基づく。 Constraint (1b) results in a collection of linear equality constraints describing the expansion of the mean and covariance matrices of the spacecraft's states and measurements. Some embodiments are based on the understanding that, due to the linearity of the spacecraft's dynamics and the Gaussian nature of the operational and measurement uncertainties, the future states and measurements of spacecraft 101 can be described as Gaussian random vectors, along with an explicit description of their mean and covariance.
いくつかの実施形態は、非有界確率論的不確実性(すなわち、ガウス不確実性)の下で宇宙機101のダイナミクスに対する制御不変集合を計算するために様々な技術を使用する。例えば、一実施形態は、確率論的可到達集合を使用して、制御不変集合を決定する。この実施形態は、中に留まる制御不変集合が凸状である場合に有利であるが、不確実性が裾部分の厚い確率密度を有する場合には準最適であり得る。不確実性が裾部分の厚い確率密度を有する場合、制御不変集合の計算のための推定される不確実性範囲はより大きくなり、計算された制御不変集合の量の著しい減少につながる。制御不変集合は、正常動作に許容される状態を制限するので、大きな制御不変集合を有することが望ましい。対象の問題に関して、不確実性は、ガウス不確実性であるため、裾部分が薄い。 Several embodiments employ various techniques to compute the set of control invariants for the dynamics of spacecraft 101 under unbounded probabilistic uncertainty (i.e., Gaussian uncertainty). For example, one embodiment uses a probabilistically reachable set to determine the set of control invariants. This embodiment is advantageous when the set of control invariants to remain within is convex, but may be suboptimal when the uncertainty has a probability density with thick tails. When the uncertainty has a probability density with thick tails, the estimated range of uncertainty for the computation of the set of control invariants becomes larger, leading to a significant decrease in the amount of the calculated set of control invariants. Since the set of control invariants restricts the states allowed for normal operation, it is desirable to have a large set of control invariants. With respect to the problem in question, the uncertainty is Gaussian uncertainty, and therefore has thin tails.
制御不変集合を決定するために使用される各確率論的可到達集合は、制御不変性を保証するために、宇宙機101の状態の値を内部近似する。ある実施形態では、確率論的可到達集合の内部近似は、キープアウト集合の補集合の各凸成分に対して定義される確率論的可到達集合の和集合として得られる。確率論的可到達集合の内部近似は、図3A、図3B、および図3Cを参照して以下で説明される。 Each probabilistically reachable set used to determine the control-invariant set internally approximates the state values of spacecraft 101 to guarantee control invariance. In one embodiment, the internal approximation of the probabilistically reachable set is obtained as the union of probabilistically reachable sets defined for each convex component of the complement of the keep-out set. The internal approximation of the probabilistically reachable set is described below with reference to Figures 3A, 3B, and 3C.
図3Aは、本開示の実施形態による、キープアウェイ集合301およびその補集合303を示す。 Figure 3A shows a keepaway set 301 and its complement 303 according to an embodiment of the present disclosure.
図3Bは、本開示の一実施形態による確率論的可到達集合305を示す。確率論的可到達集合305は、コントローラ109が、非有界確率論的不確実性にもかかわらず、指定された尤度まで宇宙機101を安全に維持(すなわち、宇宙機101をキープアウェイ集合301の外側に維持)できるすべての状態を含む。初期状態307について、軌道311,313,および315は確率論的将来状態軌道であってもよい。初期状態309について、軌道317,319,および321は確率論的将来状態軌道であってもよい。宇宙機101は、キープアウェイ集合301の外側に留まる必要があるため、軌道311,313,および321は安全ではないが、軌道315,317,および319は安全である。すなわち、コントローラ109は、初期状態309から始まる宇宙機101を2/3の尤度で安全に保ち、初期状態307から始まる宇宙機101を1/3の尤度で安全に保つことができる。その結果、集合305(水平パターン塗りつぶしで示される)は、2/3の安全尤度に対応する確率論的可到達集合である。したがって、確率論的可到達集合305は初期状態309を含むが、初期状態307は含まない。 Figure 3B shows a probabilistically reachable set 305 according to one embodiment of the present disclosure. The probabilistically reachable set 305 includes all states in which the controller 109 can safely keep the spacecraft 101 (i.e., keep the spacecraft 101 outside the keepaway set 301) up to a specified likelihood, despite unbounded probabilistic uncertainty. For the initial state 307, orbits 311, 313, and 315 may be probabilistic future state orbits. For the initial state 309, orbits 317, 319, and 321 may be probabilistic future state orbits. Orbits 311, 313, and 321 are not safe because the spacecraft 101 needs to remain outside the keepaway set 301, but orbits 315, 317, and 319 are safe. In other words, the controller 109 can safely maintain spacecraft 101 starting from initial state 309 with a likelihood of 2/3, and safely maintain spacecraft 101 starting from initial state 307 with a likelihood of 1/3. As a result, set 305 (shown by the horizontal pattern filling) is a probabilistically reachable set corresponding to a safety likelihood of 2/3. Therefore, the probabilistically reachable set 305 includes initial state 309 but does not include initial state 307.
図3Cは、本開示のある実施形態による、確率論的可到達集合の内部近似を示す。集合323(垂直パターン塗りつぶしで示される)は、確率論的可到達集合305(水平パターン塗りつぶしで示される)の内部近似である。集合323にあるどの状態も確率論的可到達集合305にある。図3Cから、集合323も確率論的可到達集合305も、キープアウェイ集合301の補集合全体(パターン塗りつぶしなしで灰色で示される)をカバーしないことが見られてもよい。 Figure 3C shows an internal approximation of a probabilistically reachable set according to one embodiment of the present disclosure. Set 323 (shown by vertical pattern filling) is an internal approximation of the probabilistically reachable set 305 (shown by horizontal pattern filling). Every state in set 323 is also in probabilistically reachable set 305. From Figure 3C, it can be seen that neither set 323 nor probabilistically reachable set 305 covers the entire complement of keepaway set 301 (shown in gray without pattern filling).
ある実施形態によれば、確率論的可到達集合の内部近似は、制御不変部分集合に対応してもよい。制御不変部分集合内の宇宙機101の任意の状態について、公称軌道の既知のまたは許容可能な将来の状態について、宇宙機101の状態を制御不変部分集合内に維持する制御コマンドが存在する。例示的な制御不変部分集合が、図4を参照して以下で説明される。 According to one embodiment, the internal approximation of a probabilistically reachable set may correspond to a control-invariant subset. For any state of spacecraft 101 within the control-invariant subset, there exists a control command that maintains the state of spacecraft 101 within the control-invariant subset for known or acceptable future states of the nominal orbit. An exemplary control-invariant subset is described below with reference to Figure 4.
図4は、本開示の一実施形態による、制約集合401に対応する制御不変集合403の2次元投影400の一例を示す。ある実施形態では、制約集合401は、宇宙機101の運動に対する制約に対応する複数の次元に沿って、線形不等式によって表される超平面によって決定される多次元ポリトープであってもよい。制約集合401は、安全である宇宙機101の状態を符号化してもよい。制御不変部分集合403内の宇宙機101の任意の状態について、公称軌道の既知のまたは許容可能な将来の状態について、宇宙機101の状態を制御不変集合403内に維持する制御コマンドが存在する。例えば、制御不変部分集合403内およびコントローラ109が実行できるすべての可能な制御入力417~423内の状態415などの宇宙機101の任意の状態に対して、宇宙機101の状態を制御不変部分集合403内に維持する少なくとも1つの制御コマンド423が存在する。他方では、状態405は、1回の反復に対しては実現可能であり得るが、コントローラ109が次の反復中に取ることを許されるすべての制御コマンド407~413は、宇宙機101の状態を制約集合401の外に連れ出し得る。 Figure 4 shows an example of a two-dimensional projection 400 of a control invariant set 403 corresponding to a constraint set 401 according to one embodiment of the present disclosure. In one embodiment, the constraint set 401 may be a multidimensional polytope determined by a hyperplane represented by linear inequalities along multiple dimensions corresponding to constraints on the motion of the spacecraft 101. The constraint set 401 may encode safe states of the spacecraft 101. For any state of the spacecraft 101 in the control invariant subset 403, there exists a control command that maintains the state of the spacecraft 101 in the control invariant subset 403 for known or acceptable future states of the nominal orbit. For example, for any state of the spacecraft 101, such as state 415, in the control invariant subset 403 and among all possible control inputs 417-423 that the controller 109 can execute, there exists at least one control command 423 that maintains the state of the spacecraft 101 in the control invariant subset 403. On the other hand, while state 405 may be achievable for a single iteration, all control commands 407-413 that the controller 109 is allowed to take during the next iteration can take the state of the spacecraft 101 outside the constraint set 401.
いくつかの実施形態は、制御不変集合が、ロバスト被制御不変集合を活用することによって計算され得る、という認識に基づく。ロバスト被制御不変集合は、有界の非確率論的不確実性にもかかわらず安全性を維持することができる状態の集合を決定する。 Some embodiments are based on the understanding that a controlled invariant set can be computed by utilizing a robust uncontrolled invariant set. The robust uncontrolled invariant set determines the set of states that can maintain safety despite bounded, non-probabilistic uncertainty.
図5は、本開示の一実施形態による、ロバスト被制御不変集合を活用することによって制御不変集合を決定するための概略図500を示す。様々な計算アルゴリズムが、ロバスト被制御不変集合を計算するために使用され得る。しかしながら、これらのアルゴリズムは、プロセスおよび/または測定ノイズの確率的分布を含む、非有界確率論的不確実性402の存在を伴う問題に直接適用可能ではない。これは、計算アルゴリズムが、有界の決定論的不確実性の存在を伴う問題に適用可能であるためである。 Figure 5 shows a schematic diagram 500 for determining a controllable invariant set by utilizing a robust uncontrollable invariant set, according to one embodiment of the present disclosure. Various computational algorithms can be used to compute the robust uncontrollable invariant set. However, these algorithms are not directly applicable to problems involving the presence of unbounded probabilistic uncertainty 402, including the probabilistic distribution of process and/or measurement noise. This is because the computational algorithms are applicable to problems involving bounded deterministic uncertainty.
図6Aは、本開示の一実施形態による、ロバスト被制御不変集合に基づいて確率論的可到達集合の内部近似を計算するための方法600のブロック図を示す。ブロック601において、方法600は、キープアウェイ集合の補集合(例えば、図3Aに示されるようなキープアウェイ集合301の補集合303)を凸集合の和集合として分解することを含む。 Figure 6A shows a block diagram of a method 600 for calculating an internal approximation of a probabilistically reachable set based on a robust, controllable, invariant set, according to one embodiment of the present disclosure. In block 601, the method 600 includes decomposing the complement of a keepaway set (for example, the complement 303 of the keepaway set 301, as shown in Figure 3A) as a union of convex sets.
図6Bは、本開示の一実施形態による、凸集合の和集合として分解されたキープアウェイ集合301の補集合を示す。凸集合607~621は、凸集合の和集合を形成する。具体的には、キープアウェイ集合301はポリトープであり、キープアウェイ集合301の補集合は半空間の和集合として表すことができる。そのような半空間の各々は凸状である。 Figure 6B shows the complement of the keepaway set 301, decomposed as a union of convex sets, according to one embodiment of the present disclosure. The convex sets 607-621 form a union of convex sets. Specifically, the keepaway set 301 is a polytope, and its complement can be represented as a union of halfspaces. Each of these halfspaces is convex.
図6C~図6Fは、キープアウェイ集合301の補集合を共に画定する凸状半空間を集合的に示す。集合623,627,631,および635は、キープアウェイ集合301の複製である。集合625は集合607,609,および611を含み、集合629は集合611,613,および615を含む。集合633は集合615,617,および619を含み、集合637は集合619,621,および607を含む。凸状である集合607~621は、キープアウェイ補集合成分と呼ばれる。 Figures 6C to 6F collectively show the convex halfspaces that define the complement of the keepaway set 301. Sets 623, 627, 631, and 635 are copies of the keepaway set 301. Set 625 contains sets 607, 609, and 611, and set 629 contains sets 611, 613, and 615. Set 633 contains sets 615, 617, and 619, and set 637 contains sets 619, 621, and 607. The convex sets 607-621 are called the keepaway complement components.
ブロック605において、方法600は、ロバスト被制御不変集合の和集合を計算して、キープアウェイ集合の補集合に対する確率論的可到達集合の内部近似を、指数iごとに1つ、取得するステップをさらに含む。内部近似は、制御不変性を、M個の時間ステップのホライゾンにわたって、非有界確率論的不確実性の第1の尤度で保証する。言い換えれば、異常動作の場合に、将来へのM個の時間ステップに関して第1の尤度でキープアウェイ集合から宇宙機101を遠ざけるように操縦することができるアボート制御法則が存在する。 In block 605, method 600 further includes the step of computing the union of robust controlled invariant sets to obtain one internal approximation of a probabilistically reachable set for each exponent i of the complement of the keepaway set. The internal approximation guarantees controllability with a first likelihood of unbounded probabilistic uncertainty over a horizon of M time steps. In other words, in the event of abnormal behavior, there exists an abort control law that allows steering spacecraft 101 away from the keepaway set with a first likelihood over M time steps into the future.
ある実施形態では、ロバスト制御不変集合および対応するアボート制御法則は、ロバスト制御不変集合の単一の計算を使用して、共同して、および相互依存的に決定される。ロバスト制御不変集合の計算は、各状態に対して、宇宙機101をロバスト制御不変集合内に維持する制御アクションのセットを自動的に生成する。制御アクションのセットは、宇宙機ダイナミクス、制御制約、およびロバスト制御集合によって特徴付けられる。したがって、アボート制御法則は、各時間ステップで制御アクションのセットから制御アクションを選択することになる。 In one embodiment, the robust control invariant set and the corresponding abort control law are determined jointly and interdependently using a single calculation of the robust control invariant set. The calculation of the robust control invariant set automatically generates, for each state, a set of control actions that maintain the spacecraft 101 within the robust control invariant set. The set of control actions is characterized by the spacecraft dynamics, control constraints, and the robust control set. Therefore, the abort control law involves selecting a control action from the set of control actions at each time step.
さらに、正常動作中に適用される公称制御法則は、宇宙機101が制御不変集合内に留まり、すべての必要な状態および入力制約が公称制御法則によって満たされることを確実にしながら、宇宙機101をキープアウェイ集合におけるターゲット103に操縦する。そのような公称制御法則の例は、等式(1)によって与えられる最適化問題を解く。ある実施形態では、公称制御法則は、モデル予測コントローラ(MPC)を使用して設計される。MPCは、宇宙機101のダイナミクスのモデルの反復有限ホライズン最適化、宇宙機101の運動の目的の集合、ならびに宇宙機推進システムおよび運動に対する制約に基づく。MPCは、適切な制御アクションを行うために将来のイベントを予測することができる。実施形態によれば、MPCは、内力および外力の影響下で宇宙機101に作用する、予測ホライズンにわたる制御ステップのシーケンスを推定してもよい。 Furthermore, the nominal control law applied during normal operation steers the spacecraft 101 to target 103 in the keepaway set, while ensuring that the spacecraft 101 remains within the control-invariant set and that all necessary state and input constraints are satisfied by the nominal control law. An example of such a nominal control law solves the optimization problem given by equation (1). In one embodiment, the nominal control law is designed using a model predictive controller (MPC). The MPC is based on iterative finite-horizon optimization of a model of the spacecraft 101's dynamics, a set of objectives for the spacecraft 101's motion, and constraints on the spacecraft propulsion system and motion. The MPC can predict future events to take appropriate control actions. According to an embodiment, the MPC may estimate a sequence of control steps across the predicted horizon acting on the spacecraft 101 under the influence of internal and external forces.
いくつかの実施形態は、機会制約(1c)および(1d)の実施は扱いにくい可能性がある、という認識に基づく。そのために、いくつかの実施形態は、機会制約(1c)および(1d)の保守的であるが扱いやすい実施を提供することを目的とする。いくつかの実施形態は、機会制約(1c)および(1d)を保守的に実施するために、機会制約(1c)および(1d)を、機会制約(1c)および(1d)を保守的に実施する混合整数線形制約を収集したものとして再定式化することができる、という認識に基づく。ある実施形態では、機会制約(1c)および(1d)は、ブールの不等式、分位数再定式化、および離接計画法に基づいて、混合整数線形制約を収集したものとして再定式化することができる。機会制約(1c)および(1d)の再定式化は、それぞれ図7Aおよび図7Bを参照して以下で説明される。 Some embodiments are based on the recognition that implementing opportunity constraints (1c) and (1d) can be cumbersome. Therefore, some embodiments aim to provide conservative but manageable implementations of opportunity constraints (1c) and (1d). Some embodiments are based on the recognition that, in order to conservatively implement opportunity constraints (1c) and (1d), they can be reformatted as a collection of mixed-integer linear constraints that conservatively implement opportunity constraints (1c) and (1d). In some embodiments, opportunity constraints (1c) and (1d) can be reformatted as a collection of mixed-integer linear constraints based on Boolean inequalities, quantile reformatting, and disjunctive programming. The reformattings of opportunity constraints (1c) and (1d) are described below with reference to Figures 7A and 7B, respectively.
ブロック703において、所望の挙動を符号化することによって確率的結合機会制約(probabilistic joint chance constraint)が得られる。確率的結合機会制約は、以下のように与えられてもよい。 In block 703, a probabilistic joint chance constraint is obtained by encoding the desired behavior. The probabilistic joint chance constraint may be given as follows:
確率的結合機会制約は、望ましくない挙動の確率を小さな確率で制限する。
ブロック705において、任意選択の個々の機会制約が、単純な確率理論およびガウス機会制約の分位数再定式化を利用することによって取得される。任意選択の個々の機会制約は、以下のように与えられてもよい。
Stochastic coupling opportunity constraints limit the probability of undesirable behavior to a small probability.
In block 705, the individual opportunity constraints for arbitrary choices are obtained by utilizing simple probability theory and the quantile reformulation of Gaussian opportunity constraints. The individual opportunity constraints for arbitrary choices may be given as follows:
ブロック707において、混合整数線形制約が、制約強化および離接計画法に基づいて取得される。混合整数線形制約は、以下のように与えられてもよい。 In block 707, mixed-integer linear constraints are obtained based on constraint reinforcement and tangent programming. The mixed-integer linear constraints may be given as follows:
図7Bは、本開示の一実施形態による、宇宙機101の将来の測定値が制御不変集合内に留まることを必要とする機会制約(1d)の再定式化のためのブロック図を示す。ブロック709において、制御不変集合内に留まるための宇宙機101の将来の測定値の所望の挙動は、以下のように、すべてのtについて決定論的な不等式制約として与えられる。 Figure 7B shows a block diagram for reformulating the opportunity constraint (1d) requiring that future measurements of the spacecraft 101 remain within a controllable set, according to one embodiment of the present disclosure. In block 709, the desired behavior of future measurements of the spacecraft 101 to remain within the controllable set is given as a deterministic inequality constraint for all t, as follows:
ブロック711において、所望の挙動を符号化することによって確率的結合機会制約が得られる。確率的結合機会制約は、以下のように与えられてもよい。 In block 711, a probabilistic coupling opportunity constraint is obtained by encoding the desired behavior. The probabilistic coupling opportunity constraint may be given as follows:
ブロック713では、単純確率理論およびガウス機会制約の分位数再定式化を利用することによって、任意選択の個々の機会制約が得られる。任意選択の個々の機会制約は、以下のように与えられてもよい。 In Block 713, individual opportunity constraints for arbitrary choices can be obtained by utilizing simple probability theory and the quantile reformulation of Gaussian opportunity constraints. These individual opportunity constraints may be given as follows:
ブロック715において、混合整数線形制約は、制約強化および離接計画法に基づいて取得される。混合整数線形制約は、以下のように与えられてもよい。 In block 715, the mixed-integer linear constraints are obtained based on constraint reinforcement and tangent programming. The mixed-integer linear constraints may be given as follows:
最適化問題(1)において混合整数線形制約(4)および(5)を使用することは、バイナリ変数の存在により、最適化問題(1)を混合整数計画として与える。リアルタイム実現例の場合、バイナリ変数に対する実現可能な値は、凸二次計画を得るために事前に割り当てられてもよい。 The use of mixed-integer linear constraints (4) and (5) in optimization problem (1) gives optimization problem (1) a mixed-integer program due to the presence of binary variables. In the case of a real-time implementation, the feasible values for the binary variables may be pre-assigned to obtain a convex quadratic program.
図8は、宇宙機101の正常動作および異常動作中にキープアウェイゾーン107への無許可進入を回避しながら宇宙機101の運動を制御するための方法800のブロック図を示す。 Figure 8 shows a block diagram of method 800 for controlling the motion of spacecraft 101 while avoiding unauthorized entry into the keepaway zone 107 during normal and abnormal operation of spacecraft 101.
ブロック801において、方法800は、宇宙機101の現在の状態を受信することを含む。ブロック803において、方法800は、宇宙機101の現在の状態を含む制御不変集合を選択することを含む。 In block 801, method 800 includes receiving the current state of spacecraft 101. In block 803, method 800 includes selecting a control-invariant set containing the current state of spacecraft 101.
ブロック805において、方法は、異常動作が検出されたかどうかを判定することを含む。異常動作が検出された場合、ブロック807において、方法800は、選択された制御不変集合に関連付けられるアボート制御法則を実行することを含む。アボート制御法則は、キープアウェイゾーン107を回避しながら宇宙機101を移動させるアボート制御コマンドを生成する。 In block 805, the method includes determining whether an abnormal operation has been detected. If an abnormal operation is detected, in block 807, method 800 includes executing an abort control law associated with a selected set of control invariants. The abort control law generates an abort control command that moves the spacecraft 101 while avoiding the keepaway zone 107.
異常動作が検出されない場合、ブロック809において、方法800は、公称制御法則を実行することを含む。公称制御法則は、宇宙機101に作用する内力および外力にもかかわらず、宇宙機101の状態を制御不変集合内に維持する制御コマンドを生成する。 If no abnormal operation is detected, in block 809, method 800 includes executing nominal control laws. The nominal control laws generate control commands that maintain the state of the spacecraft 101 within a control-invariant set, despite internal and external forces acting on the spacecraft 101.
図9は、本開示の方法およびシステムを実施するために使用されるいくつかの構成要素を示す概略図である。例えば、コンピュータ900は、多物体天体系において、宇宙機101の正常動作および異常動作中にキープアウェイゾーン107への無許可進入を回避しながら、宇宙機101の運動を制御するように適合され得る。CPUまたはプロセッサ901は、バスシステム903を介して、メモリ905、入力/出力装置907、および通信インターフェイス909に接続されることができる。また、バスシステム903には、記憶装置911、制御インターフェイス913、ディスプレイインターフェイス915および外部インターフェイス917も接続されることができる。 Figure 9 is a schematic diagram showing some components used to implement the methods and systems of this disclosure. For example, the computer 900 may be adapted to control the motion of the spacecraft 101 in a multi-body celestial system while avoiding unauthorized entry into the keepaway zone 107 during normal and abnormal operation of the spacecraft 101. The CPU or processor 901 may be connected to the memory 905, input/output device 907, and communication interface 909 via the bus system 903. The bus system 903 may also be connected to a storage device 911, control interface 913, display interface 915, and external interface 917.
外部インターフェイス917は、拡張メモリ919、ビークルパラメータ921(すなわち、宇宙機仕様、スラスタ仕様、サイズ、重量など)、初期軌道データ923(すなわち、時間、日付、高度、傾き、偏心率などを含むパラメータなど)、ターゲット軌道データ925、および他の軌道データ927(すなわち、固有の軌道データ)に接続されることができる。バスシステム903はまた、制御インターフェイス929と、出力インターフェイス931と、受信機933と、送信機935とを接続することもできる。さらに、バスシステム903は、GPS受信機モジュール937をGPS939に接続することができる。コンピュータ900は、軌道維持モジュール941を含む。軌道維持モジュール941は、スラスタコマンド943を出力してもよい。軌道維持モジュール941は、移行軌道生成部945と、フィードバック利得モジュール947と、フィードバックコントローラ949と、スラスタコマンド生成部951とを含む。 The external interface 917 can be connected to the extended memory 919, vehicle parameters 921 (i.e., spacecraft specifications, thruster specifications, size, weight, etc.), initial orbit data 923 (i.e., parameters including time, date, altitude, inclination, eccentricity, etc.), target orbit data 925, and other orbit data 927 (i.e., unique orbit data). The bus system 903 can also connect to the control interface 929, the output interface 931, the receiver 933, and the transmitter 935. Furthermore, the bus system 903 can connect the GPS receiver module 937 to the GPS 939. The computer 900 includes an orbit maintenance module 941. The orbit maintenance module 941 may output thruster commands 943. The orbit maintenance module 941 includes a transition orbit generation unit 945, a feedback gain module 947, a feedback controller 949, and a thruster command generation unit 951.
コンピュータ900は、1つ以上のプロセッサ901を有する、サーバもしくはデスクトップ、ラップトップ、モバイルもしくは他のコンピュータデバイスまたはシステムとすることができる。プロセッサ901は、コンピュータ900のメモリ905または記憶装置911内(または拡張メモリ919内)で移行軌道生成部945の形態でコードにアクセスするように適合された中央処理装置であってもよい。本開示のシステムおよび方法に関連する局面によれば、意図されるハードウェアおよび目的実現の具体的な設計ならびに局面に応じてさらに必要とされる場合、外部記憶装置が企図される。例えば、コンピュータ900は、メモリ905および/または記憶装置911がデータを記憶することができる、システムおよび方法のステップを実現するために使用されることができる。 The computer 900 may be a server or a desktop, laptop, mobile, or other computer device or system having one or more processors 901. The processor 901 may be a central processing unit adapted to access code in the form of a transition path generation unit 945 within the memory 905 or storage device 911 (or within extended memory 919) of the computer 900. Depending on the aspects relating to the systems and methods of this disclosure, external storage devices may be contemplated, as further required depending on the specific design of the intended hardware and purpose implementation. For example, the computer 900 may be used to implement steps of the systems and methods in which the memory 905 and/or storage device 911 can store data.
メモリ905に記憶されたデータは、実行可能モジュール、ビークルデータ、および履歴空間データを含むことができる。例えば、ビークルデータは、宇宙機の仕様、寸法、重量、重力を含む変動した条件下の性能データ、および他の摂動、すなわち空間における単一の他の質量体の重力引力以外の力を受ける質量体の複雑な運動を含むことができる。 The data stored in memory 905 may include executable module data, vehicle data, and historical spatial data. For example, vehicle data may include the specifications, dimensions, weight, and performance data under varying conditions, including gravity, as well as other perturbations, i.e., the complex motion of a mass body subject to forces other than the gravitational pull of a single other mass body in space.
さらに、ビークルデータは、多変数、すなわち、(1)天体の異常な軌道特性、すなわち、月、太陽、小惑星、惑星、または星などの、地球の大気外に位置する自然物体;(2)天体の異常な軌道運動;(3)別の天体の周りの天体の異常に近い軌道;および(4)その他の公知の摂動、のうちの1つ以上に関連付けられるビークルダイナミクスに関連する局面に関連するデータを含むことができる。空間データは、天体系、天体への過去のミッション、ならびに空間、宇宙機、および宇宙における他の天体に対する軌道設計の計画に関連する任意の他のデータに関連するデータを含むことができる。例えば、空間データは、初期天体軌道から同様のターゲット天体軌道への軌道設計を開発する際に考慮することができる天体の特性など、天体の月に関するデータを含むことができる。 Furthermore, vehicle data may include data relating to aspects of vehicle dynamics associated with one or more of the following multivariables: (1) anomalous orbital characteristics of a celestial body, i.e., natural objects located outside the Earth's atmosphere, such as the Moon, Sun, asteroids, planets, or stars; (2) anomalous orbital motion of a celestial body; (3) anomalous near-orbits of a celestial body around another celestial body; and (4) other known perturbations. Spatial data may include data relating to celestial bodies, past missions to celestial bodies, and any other data relating to the planning of orbital designs for space, spacecraft, and other celestial bodies in space. For example, spatial data may include data about a celestial body's moon, such as characteristics of the celestial body that can be considered when developing orbital designs from an initial celestial body orbit to a similar target celestial body orbit.
コンピュータ900のプロセッサ901は、特定の用途に応じて2つ以上のプロセッサであってもよい。例えば、いくつかのステップは、本開示のシステムおよび方法に関連付けられる特定の処理時間または処理速度を保証するために別個のプロセッサを必要としてもよい。受信機933または入力インターフェイスは、メモリ905に記憶された、記憶された履歴空間データの後に、地球ミッション官制センターもしくは宇宙機に関連付けられるセンサ、または何らかの他の場所のいずれかから取得された最新の空間データであってもよい空間データを受信することができる。受信機933および送信機935は、データを受信して、たとえば地球ミッション官制センターまたは何らかの他の宛先に送信するための無線場所を提供することができる。GPS939に接続されたGPS受信機モジュール937は、ナビゲーションに関連する局面に用いることができる。コンピュータ900はさらに、本開示のシステムおよび方法に関連する使用のために企図される、外部装置、制御インターフェイス、ディスプレイ、センサ、マシン等を含んでもよい。 The processor 901 of computer 900 may consist of two or more processors, depending on the specific application. For example, some steps may require separate processors to ensure a specific processing time or speed associated with the system and method of this disclosure. The receiver 933 or input interface may receive spatial data, which may be the most recent spatial data acquired from either the Earth Mission Control Center, sensors associated with the spacecraft, or any other location, after stored historical spatial data stored in memory 905. The receiver 933 and transmitter 935 may provide a radio location for receiving data and transmitting it, for example, to the Earth Mission Control Center or any other destination. A GPS receiver module 937 connected to GPS 939 can be used in aspects related to navigation. Computer 900 may further include external devices, control interfaces, displays, sensors, machines, etc., intended for use in the system and method of this disclosure.
図10は、本開示の方法およびシステムを実施するためのコンピューティング装置を非限定的な例によって示す概略図である。コンピューティングデバイス1000は、すべてバス1009に接続された電源1001、プロセッサ1003、メモリ1005、記憶装置1007を含むことができる。さらに、バス1009には、高速インターフェイス1011、低速インターフェイス1013、高速拡張ポート1015、低速接続ポート1017を接続することができる。加えて、バス1009には低速拡張ポート1019が接続されている。さらに、入力インターフェイス1021は、バス1009を介して、外部受信機1023および出力インターフェイス1025に接続されることができる。受信機1027は、バス1009を介して外部送信機1029および送信機1031に接続されることができる。また、バス1009には、外部メモリ1033、外部センサ1035、マシン1037、および環境1039が接続され得る。さらに、バス1009には、1つ以上の外部入出力装置1041を接続することができる。ネットワークインターフェイスコントローラ(NIC)1043は、バス1009を通してネットワーク1045に接続するように適合させることができ、データまたは他のデータは、とりわけ、コンピューティングデバイス1000の外部の第三者表示装置、第三者撮像装置、および/または第三者印刷装置上でレンダリングされることができる。 Figure 10 is a schematic diagram illustrating, by non-limiting examples, a computing device for carrying out the method and system of the present disclosure. The computing device 1000 may include a power supply 1001, a processor 1003, a memory 1005, and a storage device 1007, all connected to bus 1009. Furthermore, a high-speed interface 1011, a low-speed interface 1013, a high-speed expansion port 1015, and a low-speed connection port 1017 may be connected to bus 1009. In addition, a low-speed expansion port 1019 is connected to bus 1009. Furthermore, an input interface 1021 may be connected to an external receiver 1023 and an output interface 1025 via bus 1009. Receiver 1027 may be connected to an external transmitter 1029 and a transmitter 1031 via bus 1009. Also, an external memory 1033, an external sensor 1035, a machine 1037, and an environment 1039 may be connected to bus 1009. Furthermore, one or more external input/output devices 1041 can be connected to bus 1009. The network interface controller (NIC) 1043 can be adapted to connect to network 1045 via bus 1009, and data or other data can be rendered, among other things, on a third-party display device, a third-party imaging device, and/or a third-party printing device outside of the computing device 1000.
メモリ1005は、コンピューティングデバイス1000によって実行可能な命令、履歴データ、ならびに本開示の方法およびシステムによって利用できる任意のデータを記憶することができる。メモリ1005は、ランダムアクセスメモリ(RAM)、読取り専用メモリ(ROM)、フラッシュメモリ、または任意の他の好適なメモリシステムを含み得る。メモリ1005は、揮発性メモリユニットおよび/または不揮発性メモリユニットであり得る。メモリ1005はまた、磁気ディスクまたは光ディスクなどの別の形態のコンピュータ可読媒体であってもよい。 Memory 1005 can store instructions executable by the computing device 1000, historical data, and any data available by the methods and systems of this disclosure. Memory 1005 may include random access memory (RAM), read-only memory (ROM), flash memory, or any other suitable memory system. Memory 1005 may be a volatile memory unit and/or a non-volatile memory unit. Memory 1005 may also be another form of computer-readable medium, such as a magnetic disk or an optical disk.
記憶装置1007は、コンピューティングデバイス1000によって使用される補足データおよび/またはソフトウェアモジュールを記憶するように適合され得る。例えば、記憶装置1007は、本開示に関して上述したように、履歴データおよび他の関連データを記憶することができる。加えて、または代替として、記憶装置1007は、本開示に関して上記で言及されるようなデータのような履歴データを記憶することができる。記憶装置1007は、ハードドライブ、光学ドライブ、サムドライブ、ドライブのアレイ、またはそれらの任意の組み合わせを含むことができる。さらに、記憶装置1007は、フロッピー(登録商標)ディスクデバイス、ハードディスクデバイス、光ディスクデバイス、もしくはテープデバイスなどのコンピュータ可読媒体、フラッシュメモリもしくは他の同様の固体メモリデバイス、またはストレージエリアネットワークもしくは他の構成におけるデバイスを含むデバイスのアレイを含むことができる。命令は、情報担体に格納することができる。命令は、1つ以上の処理装置(たとえば、プロセッサ1003)によって実行されると、上記で説明したものなどの1つ以上の方法を実行する。 The storage device 1007 may be adapted to store supplemental data and/or software modules used by the computing device 1000. For example, the storage device 1007 may store historical data and other related data as described above in relation to this disclosure. In addition, or alternatively, the storage device 1007 may store historical data such as the data referred to above in relation to this disclosure. The storage device 1007 may include a hard drive, an optical drive, a thumb drive, an array of drives, or any combination thereof. Furthermore, the storage device 1007 may include an array of devices including computer-readable media such as floppy disk devices, hard disk devices, optical disk devices, or tape devices, flash memory or other similar solid memory devices, or devices in a storage area network or other configuration. Instructions may be stored in the information carrier. When an instruction is executed by one or more processing units (e.g., processor 1003), it performs one or more methods, such as those described above.
コンピューティングデバイス1000は、バス1009を介して、任意選択で、コンピューティングデバイス1000を表示装置1049およびキーボード1051に接続するように適合されるディスプレイインターフェイスまたはユーザインターフェイス(HMI)1047にリンクされることができ、表示装置1049は、とりわけ、コンピュータモニタ、カメラ、テレビ、プロジェクタ、またはモバイルデバイスを含むことができる。いくつかの実現では、コンピューティングデバイス1000は、印刷装置に接続するためのプリンタインターフェイスを含んでもよく、印刷装置は、とりわけ、液体インクジェットプリンタ、固体インクプリンタ、大規模商業用プリンタ、サーマルプリンタ、UVプリンタ、または色素昇華プリンタを含むことができる。 The computing device 1000 can optionally be linked via bus 1009 to a display interface or user interface (HMI) 1047 adapted to connect the computing device 1000 to a display device 1049 and a keyboard 1051. The display device 1049 may, among other things, include a computer monitor, camera, television, projector, or mobile device. In some implementations, the computing device 1000 may also include a printer interface for connecting to a printing device, which may, among other things, include a liquid inkjet printer, solid ink printer, large-scale commercial printer, thermal printer, UV printer, or dye sublimation printer.
高速インターフェイス1011は、コンピューティングデバイス1000のための帯域幅集約型動作を管理し、低速インターフェイス1013は、より低い帯域幅集約型動作を管理する。このような機能の割り当ては一例にすぎない。いくつかの実現形態では、高速インターフェイス1011は、メモリ1005、ユーザインターフェイス(HMI)1047、(例えば、グラフィックスプロセッサまたはアクセラレータを介して)キーボード1051およびディスプレイ1049、ならびにバス1009を介して様々な拡張カードを受け入れ得る高速拡張ポート1015に結合され得る。ある実現形態では、低速インターフェイス1013は、バス1009を介して記憶装置1007および低速拡張ポート1017に結合される。様々な通信ポート(例えば、USB、Bluetooth(登録商標)、イーサネット(登録商標)、無線イーサネット(登録商標))を含んでもよい低速拡張ポート1017は、1つ以上の入力/出力装置1041に結合されてもよい。コンピューティングデバイス1000は、サーバ1053およびラックサーバ1055に接続されてもよい。コンピューティングデバイス1000は、いくつかの異なる形態で実現されてもよい。たとえば、コンピューティングデバイス1000は、ラックサーバ1055の一部として実現されてもよい。 The high-speed interface 1011 manages bandwidth-intensive operations for the computing device 1000, and the low-speed interface 1013 manages less bandwidth-intensive operations. Such function assignments are merely examples. In some implementations, the high-speed interface 1011 may be coupled to memory 1005, a user interface (HMI) 1047, a keyboard 1051 and a display 1049 (e.g., via a graphics processor or accelerator), and a high-speed expansion port 1015 that can accept various expansion cards via bus 1009. In some implementations, the low-speed interface 1013 is coupled to storage device 1007 and the low-speed expansion port 1017 via bus 1009. The low-speed expansion port 1017, which may include various communication ports (e.g., USB, Bluetooth®, Ethernet®, Wireless Ethernet®), may be coupled to one or more input/output devices 1041. The computing device 1000 may be connected to a server 1053 and a rack server 1055. The computing device 1000 may be implemented in several different forms. For example, the computing device 1000 may be implemented as part of a rack server 1055.
以下の説明は、例示的な実施形態のみを提供するものであり、本開示の範囲、適用性、または構成を限定することを意図するものではない。むしろ、例示的な実施形態の以下の説明は、1つ以上の例示的な実施形態を実現するための実施可能な説明を当業者に提供する。企図されるのは、特許請求の範囲に記載されるように開示される主題の精神および範囲から逸脱することなく、要素の機能および構成において行われ得るさまざまな変更である。 The following description provides only exemplary embodiments and is not intended to limit the scope, applicability, or configuration of this disclosure. Rather, the following description of exemplary embodiments provides a practicable description for realizing one or more exemplary embodiments for those skilled in the art. The intent is to describe various modifications that may be made to the function and configuration of the elements without departing from the spirit and scope of the subject matter disclosed as described in the claims.
以下の説明では、実施形態の完全な理解のために、具体的な詳細が与えられる。しかしながら、当業者によって理解されることは、実施形態がこれらの具体的な詳細なしで実施され得ることであり得る。たとえば、開示される主題におけるシステム、プロセス、および他の要素は、不必要な詳細で実施形態を不明瞭にしないように、ブロック図の形態の構成要素として示される場合がある。他の例では、周知のプロセス、構造、および技術は、実施形態を不明瞭にすることを回避するために、不必要な詳細を伴わずに示される場合がある。さらに、様々な図面における同様の参照番号および名称は、同様の要素を示す。 The following description provides specific details for a complete understanding of the embodiments. However, it will be understood by those skilled in the art that embodiments may be carried out without these specific details. For example, systems, processes, and other elements in the disclosed subject matter may be shown as components in the form of block diagrams so as not to obscure the embodiments with unnecessary details. In other examples, well-known processes, structures, and techniques may be shown without unnecessary details to avoid obscuring the embodiments. Furthermore, similar reference numbers and names in different drawings refer to similar elements.
また、個々の実施形態は、フローチャート、フロー図、データフロー図、構造図、またはブロック図として示されるプロセスとして説明されてもよい。フローチャートは、動作を順次プロセスとして説明し得るが、動作の多くは、並列にまたは同時に実行することができる。加えて、動作の順序は並べ替えられてもよい。プロセスは、その動作が完了したときに終了してもよいが、論じられていない、または図に含まれていない追加のステップを有してもよい。さらに、特に説明される任意のプロセスにおけるすべての動作が、すべての実施形態において生じ得るわけではない。プロセスは、メソッド、関数、プロシージャ、サブルーチン、サブプログラムなどに対応してもよい。プロセスが関数に対応するとき、関数の終了は、呼び出し関数またはメイン関数への関数の復帰に対応することができる。 Furthermore, individual embodiments may be described as processes represented as flowcharts, flow diagrams, data flow diagrams, structural diagrams, or block diagrams. While flowcharts can describe operations as sequential processes, many operations can be performed in parallel or simultaneously. In addition, the order of operations may be reordered. A process may terminate when its operations are complete, but it may have additional steps not discussed or included in the diagrams. Furthermore, not all operations in any particular process described may occur in all embodiments. A process may correspond to a method, function, procedure, subroutine, subprogram, etc. When a process corresponds to a function, the termination of the function may correspond to the function's return to the calling function or the main function.
さらに、開示される主題の実施形態は、少なくとも部分的に、手動または自動のいずれかで実現されてもよい。手動または自動実現例は、マシン、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、ミドルウェア、マイクロコード、ハードウェア記述言語、もしくはそれらの任意の組合せの使用を通じて実行されてもよく、または少なくとも支援されてもよい。ソフトウェア、ファームウェア、ミドルウェア、またはマイクロコードで実現されるとき、必要なタスクを実行するためのプログラムコードまたはコードセグメントは、機械可読媒体に記憶されてもよい。必要なタスクはプロセッサが実行してもよい。 Furthermore, embodiments of the disclosed subject matter may be implemented at least partially manually or automatically. Manual or automatic implementations may be performed, or at least assisted, through the use of a machine, hardware, software, firmware, middleware, microcode, hardware description language, or any combination thereof. When implemented in software, firmware, middleware, or microcode, the program code or code segments for performing the required tasks may be stored in a machine-readable medium. The required tasks may be performed by a processor.
本明細書で概説される様々な方法またはプロセスは、様々なオペレーティングシステムまたはプラットフォームのいずれか1つを使用する1つ以上のプロセッサ上で実行可能なソフトウェアとしてコード化されてもよい。加えて、そのようなソフトウェアは、いくつかの好適なプログラミング言語および/またはプログラミングもしくはスクリプトツールのうちのいずれかを使用して書かれてもよく、また、フレームワークまたは仮想マシン上で実行される実行可能機械言語コードまたは中間コードとしてコンパイルされてもよい。典型的には、プログラムモジュールの機能は、様々な実施形態において所望に応じて組み合わせられるかまたは分散されてもよい。 The various methods or processes outlined herein may be coded as software executable on one or more processors using any one of various operating systems or platforms. In addition, such software may be written using any of several suitable programming languages and/or programming or scripting tools, and may be compiled as executable machine language code or intermediate code that runs on a framework or virtual machine. Typically, the functionality of program modules may be combined or distributed as desired in various embodiments.
本開示の実施形態は、一例が提供された方法として具現化されてもよい。方法の一部として実行される行為は、任意の好適な方法で順序付けされてもよい。したがって、例示的な実施形態において連続的な行為として示されているいくつかの行為を同時に実行することを含むことができる、例示とは異なる順序で行為が実行される実施形態を構築してもよい。 Embodiments of this disclosure may be embodied as an example provided. The actions performed as part of the method may be ordered in any preferred manner. Therefore, embodiments may be constructed in which actions are performed in a different order than those exemplified, including the simultaneous performance of several actions shown as sequential actions in the exemplary embodiments.
本開示は特定の好ましい実施形態を参照して説明されたが、本開示の精神および範囲内でさまざまな他の適合および変更を行うことができることを理解されたい。したがって、本開示の真の精神および範囲内に入るようなすべての変形および修正を包含することは、特許請求の範囲の局面である。 While this disclosure has been described with reference to certain preferred embodiments, it should be understood that various other adaptations and modifications can be made within the spirit and scope of this disclosure. Therefore, it is the claims aspect to encompass all variations and modifications that fall within the true spirit and scope of this disclosure.
101 宇宙機、103 ターゲット、105 軌道、107 キープアウェイゾーン、109 コントローラ、111 プロセッサ、113 メモリ。 101 Spacecraft, 103 Target, 105 Orbit, 107 Keepaway Zone, 109 Controller, 111 Processor, 113 Memory.
Claims (19)
前記宇宙機の前記正常動作中に、前記宇宙機の状態を、前記キープアウェイゾーンを部分的または完全に囲む前記宇宙機の前記状態の値の複数の制御不変集合の和集合内に維持する公称制御法則を実行させ、前記宇宙機の前記状態は、前記宇宙機の位置と、前記宇宙機の速度および加速度の少なくとも1つまたは組み合わせとを含み、前記複数の制御不変集合の各々は、前記宇宙機の前記状態が制御不変集合内にあるときに、前記宇宙機に作用する内力および外力にもかかわらず、前記宇宙機の前記状態を前記制御不変集合内に維持する、前記公称制御法則によって生成される制御コマンドを実行するように、決定され、前記公称制御法則は、前記キープアウェイゾーンに対する前記宇宙機の経時的な二乗距離の和と、前記宇宙機の状態および測定値の平均ならびに共分散行列の展開を記述する線形等式制約に従う開ループ制御シーケンスによって消費されるエネルギー量とを最小化する最適化問題を各時間ステップにおいて解き、前記命令は、さらに、前記少なくとも1つのプロセッサによって実行されると、前記コントローラに、
前記宇宙機の前記異常動作を検出すると、前記宇宙機の現在の状態を含む制御不変集合に関連付けられるアボート制御法則を実行させ、少なくともいくつかの異なるアボート制御法則が、少なくともいくつかの異なる制御不変集合に関連付けられ、前記アボート制御法則は、対応する制御不変集合について、前記対応する制御不変集合内で任意の状態について前記キープアウェイゾーンを回避しながら前記宇宙機を移動させるアボート制御コマンドを実行するよう、共同して、および相互依存的に、決定され、
前記アボート制御コマンドは、オフラインで事前に決定され、メモリに記憶される、コントローラ。 A controller for controlling the motion of a spacecraft in a multi-body celestial system, while avoiding unauthorized entry into a keepaway zone during normal and abnormal operation of the spacecraft, wherein normal operation includes moving toward a target in the keepaway zone, and abnormal operation includes one or a combination of failure to receive permission to enter the keepaway zone and failure of at least one component of the spacecraft, wherein the controller comprises at least one processor and a memory storing instructions, and when an instruction is executed by the at least one processor, the controller,
During the normal operation of the spacecraft, a nominal control law is executed to maintain the state of the spacecraft within a union of multiple control invariant sets of state values of the spacecraft that partially or completely enclose the keepaway zone, wherein the state of the spacecraft includes the position of the spacecraft and at least one or a combination of the velocity and acceleration of the spacecraft, and each of the multiple control invariant sets is determined to execute a control command generated by the nominal control law that maintains the state of the spacecraft within the control invariant set despite internal and external forces acting on the spacecraft when the state of the spacecraft is within the control invariant set, wherein the nominal control law solves an optimization problem at each time step that minimizes the sum of the squared distances of the spacecraft over time to the keepaway zone and the amount of energy consumed by an open-loop control sequence that is subject to linear equality constraints describing the state of the spacecraft and the expansion of the mean and covariance matrix of the measurements, and the instruction, when executed by the at least one processor, further to the controller,
Upon detecting the abnormal operation of the spacecraft, an abort control law associated with a set of control invariants including the current state of the spacecraft is executed, and at least several different abort control laws are associated with at least several different sets of control invariants, and the abort control laws are jointly and interdependently determined to execute abort control commands for the corresponding sets of control invariants, causing the spacecraft to move while avoiding the keepaway zone for any state within the corresponding sets of control invariants .
The aforementioned abort control command is determined offline in advance and stored in memory by the controller .
請求項1に記載の前記コントローラと、
前記公称制御法則および前記アボート制御法則によって生成される制御コマンドのシーケンスに従って宇宙機の状態を変更するよう構成されるスラスタのセットと、
前記宇宙機の前記状態を示す測定値を生成するよう構成されるセンサのセットと、
前記宇宙機の前記異常動作を検出するよう構成される回路とを備える、宇宙機。 A spacecraft for travel in a multi-body celestial system,
The controller according to claim 1,
A set of thrusters configured to change the state of a spacecraft according to a sequence of control commands generated by the aforementioned nominal control law and the aforementioned abort control law,
A set of sensors configured to generate measurements indicating the state of the spacecraft,
A spacecraft comprising a circuit configured to detect the abnormal operation of the spacecraft.
前記宇宙機の前記正常動作中に、前記宇宙機の状態を、前記キープアウェイゾーンを部分的または完全に囲む前記宇宙機の前記状態の値の複数の制御不変集合の和集合内に維持する公称制御法則を実行することを含み、前記宇宙機の前記状態は、前記宇宙機の位置と、前記宇宙機の速度および加速度の少なくとも1つまたは組み合わせとを含み、前記複数の制御不変集合の各々は、前記宇宙機の前記状態が制御不変集合内にあるときに、前記宇宙機に作用する内力および外力にもかかわらず、前記宇宙機の前記状態を前記制御不変集合内に維持する、前記公称制御法則によって生成される制御コマンドを実行するように、決定され、前記公称制御法則は、前記キープアウェイゾーンに対する前記宇宙機の経時的な二乗距離の和と、前記宇宙機の状態および測定値の平均ならびに共分散行列の展開を記述する線形等式制約に従う開ループ制御シーケンスによって消費されるエネルギー量とを最小化する最適化問題を各時間ステップにおいて解き、前記方法はさらに、
前記宇宙機の前記異常動作を検出すると、前記宇宙機の現在の状態を含む制御不変集合に関連付けられるアボート制御法則を実行することを含み、少なくともいくつかの異なるアボート制御法則が、少なくともいくつかの異なる制御不変集合に関連付けられ、前記アボート制御法則は、対応する制御不変集合について、前記対応する制御不変集合内で任意の状態について前記キープアウェイゾーンを回避しながら前記宇宙機を移動させるアボート制御コマンドを実行するよう、共同して、および相互依存的に、決定され、
前記アボート制御コマンドは、オフラインで事前に決定され、メモリに記憶される、方法。 A method for controlling the motion of a spacecraft in a multi-body celestial system while avoiding unauthorized entry into a keepaway zone during normal and abnormal operation, wherein the normal operation includes moving toward the keepaway zone, and the abnormal operation includes one or a combination of failing to receive permission to enter the keepaway zone and/or failure of at least one component of the spacecraft, and the method is
During the normal operation of the spacecraft, the method includes executing a nominal control law that maintains the state of the spacecraft within a union of multiple control invariant sets of state values of the spacecraft that partially or completely enclose the keepaway zone, wherein the state of the spacecraft includes the position of the spacecraft and at least one or a combination of the velocity and acceleration of the spacecraft, and each of the multiple control invariant sets is determined to execute a control command generated by the nominal control law that maintains the state of the spacecraft within the control invariant set despite internal and external forces acting on the spacecraft, while the state of the spacecraft is within the control invariant set, wherein the nominal control law solves an optimization problem at each time step that minimizes the sum of the squared distances of the spacecraft over time to the keepaway zone and the amount of energy consumed by an open-loop control sequence that is subject to linear equality constraints describing the state of the spacecraft and the expansion of the mean and covariance matrix of the measured values of the spacecraft, and the method further,
Upon detecting the abnormal operation of the spacecraft, the following actions are taken: an abort control law associated with a set of control invariants including the current state of the spacecraft is executed, wherein at least several different abort control laws are associated with at least several different sets of control invariants, and the abort control laws are determined jointly and interdependently to execute abort control commands for the corresponding sets of control invariants, causing the spacecraft to move while avoiding the keepaway zone for any state within the corresponding sets of control invariants .
The abort control command is determined offline in advance and stored in memory .
前記宇宙機の前記正常動作中に、前記宇宙機の状態を、前記キープアウェイゾーンを部分的または完全に囲む前記宇宙機の前記状態の値の複数の制御不変集合の和集合内に維持する公称制御法則を実行することを含み、前記宇宙機の前記状態は、前記宇宙機の位置と、前記宇宙機の速度および加速度の少なくとも1つまたは組み合わせとを含み、前記複数の制御不変集合の各々は、前記宇宙機の前記状態が制御不変集合内にあるときに、前記宇宙機に作用する内力および外力にもかかわらず、前記宇宙機の前記状態を前記制御不変集合内に維持する、前記公称制御法則によって生成される制御コマンドを実行するように、決定され、前記公称制御法則は、前記キープアウェイゾーンに対する前記宇宙機の経時的な二乗距離の和と、前記宇宙機の状態および測定値の平均ならびに共分散行列の展開を記述する線形等式制約に従う開ループ制御シーケンスによって消費されるエネルギー量とを最小化する最適化問題を各時間ステップにおいて解き、前記方法はさらに、
前記宇宙機の前記異常動作を検出すると、前記宇宙機の現在の状態を含む制御不変集合に関連付けられるアボート制御法則を実行することを含み、少なくともいくつかの異なるアボート制御法則が、少なくともいくつかの異なる制御不変集合に関連付けられ、前記アボート制御法則は、対応する制御不変集合について、前記対応する制御不変集合内で任意の状態について前記キープアウェイゾーンを回避しながら前記宇宙機を移動させるアボート制御コマンドを実行するよう、共同して、および相互依存的に、決定され、
前記アボート制御コマンドは、オフラインで事前に決定され、メモリに記憶される、非一時的コンピュータ可読記憶媒体。 A non-temporary computer-readable storage medium embodying a processor-executable program for performing a method for controlling the motion of a spacecraft in a multi-body celestial system, while avoiding unauthorized entry into a keepaway zone during normal and abnormal operation, wherein the normal operation includes moving toward the keepaway zone, and the abnormal operation includes one or a combination of failing to receive permission to enter the keepaway zone and failure of at least one component of the spacecraft, and the method is
During the normal operation of the spacecraft, the method includes executing a nominal control law that maintains the state of the spacecraft within a union of multiple control invariant sets of state values of the spacecraft that partially or completely enclose the keepaway zone, wherein the state of the spacecraft includes the position of the spacecraft and at least one or a combination of the velocity and acceleration of the spacecraft, and each of the multiple control invariant sets is determined to execute a control command generated by the nominal control law that maintains the state of the spacecraft within the control invariant set despite internal and external forces acting on the spacecraft, while the state of the spacecraft is within the control invariant set, wherein the nominal control law solves an optimization problem at each time step that minimizes the sum of the squared distances of the spacecraft over time to the keepaway zone and the amount of energy consumed by an open-loop control sequence that is subject to linear equality constraints describing the state of the spacecraft and the expansion of the mean and covariance matrix of the measured values of the spacecraft, and the method further,
Upon detecting the abnormal operation of the spacecraft, the following actions are taken: an abort control law associated with a set of control invariants including the current state of the spacecraft is executed, wherein at least several different abort control laws are associated with at least several different sets of control invariants, and the abort control laws are determined jointly and interdependently to execute abort control commands for the corresponding sets of control invariants, causing the spacecraft to move while avoiding the keepaway zone for any state within the corresponding sets of control invariants .
The abort control command is a non-temporary computer-readable storage medium that is determined offline in advance and stored in memory .
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